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瑞利准则一直是光刻机发展的基本原则，一直被光刻行业视为“黄金法则”。 同时，数以万计的理论和实验学者发表了“突破瑞利准则”，并取得了许多“全球高被引研究人员”的成就。 那么，在瑞利准则的末尾，BEUV（超越极端）光刻机会演变成光刻机的终结吗？ BEUV光刻机的商业化面临哪些挑战？
前言
芯片被誉为现代社会的“工业食品”，是信息产业的基石。 自1958年集成电路诞生以来，芯片产业日益成为国民经济社会发展的战略性、基础性和主导性产业。 芯片深刻地改变了人类的生产和生活方式，从手机、家电、汽车等面向消费的C端产品，到医疗设备、电力、交通、电信、电子政务等面向商用的B端产品，再到卫星、导弹、航母等国防领域的装备，都离不开小芯片。 所谓“三百六十线，线的核心”。
芯片的诞生过程极其漫长，经历了许多考验，可以分为三个环节：芯片设计、前期制程（芯片制造）和后制程（封装测试）。 前一道工序是芯片产业链的核心环节，是指芯片制造过程中在芯片设计布局上堆叠层层，用乐高搭房子，以晶圆为基础，在晶圆或介质基板上进行扩散、薄膜、光刻、蚀刻、离子注入、化学机械抛光（CMP）、金属化、测量等工艺， 最后将芯片设计公司设计的电路图移植到晶圆上，实现预定的芯片电气功能。
前期工艺的九大设备主要包括：扩散炉、薄膜沉积设备（包括PECVD、LPCVD、ALD等）、光刻机、涂胶显影机、蚀刻机、离子注入设备、CMP、计量设备和清洗设备。
芯片（左）和晶圆（右）的内部结构。
在芯片制造过程中，光刻技术的水平直接决定了芯片的最小线宽，定义了半导体器件的特征尺寸，直接决定了芯片的工艺水平和性能水平。 毫无疑问，光刻工艺是芯片制造工艺中技术难度最大、成本最高、周期最长的部分。 先进技术节点的芯片制造需要60-90步的光刻工艺，约占光刻成本的30%，约占40-50%的时间。
光刻机是前道工序九大设备中的首台，约占芯片生产线总投资的20%。 光刻机融合了物理学、超精密光学、精密仪器、高分子理化、数学、材料、自动控制、流体力学、高精度环境控制、软件等40多个学科的最新科学成果，在60多年的发展历程中，光刻机（包括其零部件）不断挑战人类超精密制造设备的极限， 被誉为“现代光学工业之花”和芯片产业的“皇冠上的明珠”。
瑞利准则一直是光刻机发展的基本原则，一直被光刻行业视为“黄金法则”。 目前光刻机的发展已经进入了高NA（数值孔径）EUV光刻时代，工艺为2nm及以下，预计2025年开始量产。
那么，后NA EUV光刻机将如何发展？ BEUV（Beyond Extreme Ultr**IOLET）光刻机会演变成光刻机的最终产品吗？
瑞利准则的诞生
要回答这些问题，我们必须首先回顾一下瑞利准则的前世。
这不得不提到三位杰出的科学家：英国皇家天文学家乔治·比德尔·艾里（1801-1892）、德国物理学家恩斯特·阿贝（1840-1905）和英国物理学家J.瑞利瑞利，1842-1919）。
1835年，乔治·比德尔·艾里（George Biddle Airy）在《论圆孔径物体玻璃的衍射》一文中对圆孔衍射进行了理论解释，并首次明确给出了衍射极限的概念。
基于光的衍射特性，当由任何尺寸的“完美”镜头成像时，无限小的理想光斑也会形成漫射图案，即明暗的圆形光斑（事实上，每个透镜都有定义的光圈和像差）。 其中，以第一个暗环为界的**亮点称为“通风点”。 简而言之，通风点的中心是一个明亮的区域，周围环绕着一系列亮度递减的同心环。
当极小的发光点通过镜头成像系统时，它们会形成“通风点”。
1863年，恩斯特·卡尔·阿贝（Ernst Karl Abbe）成为耶拿大学的讲师（privatdozent）。 1866年，卡尔·蔡司（Carl Zeiss，1816-1888）聘请当时年仅26岁的阿贝（Abbe）作为独立研究员，设计和研究光学显微镜。 需要注意的是，阿贝的物理课也需要蔡司制造的光学仪器。 1872年，阿贝辞去耶拿大学的工作，加入蔡司。
1873年，阿贝提出了基于“艾里光斑”原理的“阿贝光学衍射极限”，分辨率定义为：
其中是光的波长，n是样品和显微镜物镜之间介质的折射率，是显微镜物镜的孔径角。
阿贝是第一位定义“数值孔径”一词的科学家。 具体来说，na=nsin，是镜头成像系统的数值孔径。 因此，分辨率也可以定义为：
简而言之，传统的光学显微镜能够检测低至光波长一半的物体。 这个经典的公式被刻在阿贝的墓碑上。
恩斯特·阿贝的墓碑。
1884 年，Abbe 和 Friedrich Otto Schott（1851-1935 年）在耶拿创立了肖特玻璃厂。
众所周知，EUV光刻机的镜片系统由蔡司制造，镜片系统采用的超低热膨胀玻璃来自肖特。
1896年，英国物理学家瑞利在“艾里斑点”理论的基础上，进一步扩展和完善了“阿贝光学衍射极限理论”，建立了“瑞利准则”。 如果一个点光源的衍射图像最亮的部分与另一个点光源的衍射图像中第一个最暗部分的最暗部分重合，瑞利认为这两个点光源可以通过这种光学仪器分辨。
瑞利准则示意图。
“瑞利准则”是第一个明确给出光学仪器分辨能力的标准。 根据该标准，光学仪器的分辨率为：
瑞利准则常用于光学成像领域，包括显微镜、望远镜、摄影等光学成像设备，用于计算各种光学仪器的最高空间分辨率。 瑞利准则为我们提供了判断物体细节是否能被光学显微镜分辨的标准，也指导我们如何提高显微镜的分辨率，例如选择较短的辐射波长、增加折射率，或者使用半孔径角较大的显微镜。
瑞利的研究工作涵盖了广泛的领域，如电学、声学和光学。 1904年，诺贝尔物理学奖授予瑞利，以表彰他对一些最重要气体密度的研究以及在这些研究中发现氩气。
光刻机的瑞利准则公式如下：
其中，CD是光刻图案的特征尺寸，光学系统在晶圆上可以达到的最小线宽，即光刻机的分辨率，K1是工艺因子，DOF是光刻焦深，K2是工艺因子。
到目前为止，瑞利准则是波长和数值孔径的表达式，它描述了光刻机衍射极限系统中的分辨率极限，这已成为光刻机发展的基本原理，近60年来一直被光刻行业视为“黄金法则”。
瑞利准则下光学光刻的演变
瑞利准则表明，只有当物体上的两个点之间的距离大于某个值时，它们才会被解析。 该特定值与入射光的波长和数值孔径NA有关。 在光刻工艺中，分辨率的极限直接决定了光刻机可以制造的最小特征尺寸。 光刻设计师和工程师必须根据瑞利准则优化光刻机的设计和制造，以提高光刻分辨率极限，使光刻机可以区分的两点之间的距离越来越小。 根据瑞利准则，有三种主要方法可以提高单次光刻的分辨率：
1.缩短波长;
2、增大投影光刻物镜的数值孔径Na;
3.降低光刻工艺系数。
除了分辨率，景深景深也是一个关键参数。 在实际的光刻过程中，光刻机的镜头都会有一个焦点，并且在这个焦点周围有一个范围的晶圆表面可以垂直移动，只要光刻胶的厚度（即感光层）在这个范围内，那么整个胶层就可以清晰地**， 这不会导致光刻分辨率显着降低。
一般来说，光刻的分辨率越高，焦深越小。 换言之，光刻允许的工艺公差越小。 在实践中，晶圆的表面位置在纳米尺度上发生变化，这也会模糊图案的细节，从而对光刻结果产生重大影响。 这就对光刻机的调平和聚焦系统提出了更严格的要求。
提高光刻分辨率的第一种方法，光刻机的波长已经从435nm（G线NM（i线NM（深紫外，DUVNM（ARF，干浸和水浸））到目前的135nm（极紫外，EUV）的发展。
光学光刻机的演变。
提高光刻分辨率的第二种方法是数值孔径NA越大，收集的衍射光束越多，光刻分辨率越高。 DUV光刻机投影镜头的数值孔径na也从04 增加到 093. 在193nm浸没式光刻机中，数值孔径Na可高达135。对于 EUV 光刻机，NA 从 0 降低33 比 055。
提高光刻分辨率的第三种方法也可以通过优化工艺参数来实现。 例如，离轴照明、计算光刻和光刻胶工艺等用于降低工艺因子 K1。 单次光刻K1反映了光刻工艺中的实际情况，其理论极限为025。
为了进一步降低工艺系数K1，还提出了多**技术。 理论上，“193nm水浸技术”+“多**”可以应用于3nm节点的芯片生产。 但实际上，当芯片进入7nm节点时，工艺复杂度急剧上升，工艺步骤是EUV光刻的5倍，光刻次数是EUV光刻的3倍，导致难以解决的“80%芯片良率”问题。 而80%的芯片良率通常是芯片工厂实现盈利的标准。
单EUV光刻与多**水浸193nm光刻的比较。
在 2023 年之前，ASML 最先进的 EUV 光刻机是 Twinscan Nex：3400C 和 Twinscan Nex：3400D，售价约为 1 美元7亿欧元。 它的 na 只有 033、对应分辨率为13nm，可生产金属间距在38-33nm之间的芯片。
ASML的EUV光刻机，型号为Twinscan NEX：3400D。
2023年12月，ASML的高数值孔径EUV光刻机交付给英特尔位于美国俄勒冈州的D1X工厂进行安装，该工厂已成为英特尔最前沿的研究基地，也是公司开发每一代芯片技术的地方。
Twinsca Nex：5000高数值孔径EUV光刻机即将进入芯片生产。
2024年2月10日，ASML展示了**高NA EUV光刻机，型号Twinscan EXE：5000，NA达到055、单次光刻分辨率达到8nm，价格高达35亿欧元（约合人民币27亿元）。 英特尔公司已完成英特尔 18a （1.）。8nm）和Intel 20A（2nm）制造工艺开发。上述一些芯片工艺可能会使用高数值孔径EUV光刻机。 除英特尔外，台积电、三星电子、SK海力士、美光等龙头晶圆厂商也在积极抢购或打算购买ASML的新一代高数值孔径EUV光刻机。
ASML是一款高数值孔径EUV光刻机，型号为Twinsca NEX：5000。
毫无疑问，到目前为止，瑞利准则仍然是光刻机发展的基本原则。
瑞利准则的科学和实验突破
瑞利准则是笼罩在显微镜和光刻研究人员头上的阴霾。 进入21世纪，多种超分辨率成像技术打破了衍射极限的限制，突破了瑞利准则，带来了显微成像技术的新革命。
在显微镜领域，典型的超衍射极限成像技术主要分为三类：结构照射显微镜（SIM）、受激发射耗尽（STED）和单分子定位显微镜定位显微镜（smlm）。其中最著名的是STED成像技术。 1994年，德国马克斯·普朗克生物化学研究所的Stefan W.教授Hell在《光学快报》（Optics Letters）杂志上发表了STED理论。 鉴于这项杰出的工作，Stefan WHell教授于2014年获得诺贝尔化学奖。
STED成像源自爱因斯坦的受激辐射理论，是一种超分辨率荧光成像技术。 基本原理可以理解为：既然衍射效应导致了漫反射斑点，那就找一个“橡皮擦”擦掉漫反射斑点的边缘，这样瑞利准则就可以被打破。
STED技术示意图。
超分辨率成像的目的是放大微小物体以供人类观察。 但在实践中，反向光刻工艺（投影减少）也是可能的。 受STED成像技术的启发，2009年，光刻研究人员提出了一种基于单色边缘抑制的快速超分辨率直写光刻技术。 利用532nm飞秒激光束作为“铅笔光”形成固体光斑，实现光刻胶的双光子吸收和激发聚合; 另一个 532 nm 的连续激光束被用作“橡胶灯”，形成一个空心黑斑，从而实现单光子吸收抑制聚合。 将两个光斑嵌套在一起，达到超分辨率光刻效果，超分辨率雕刻可实现最小线宽36nm和最小分辨率140nm。
单色边缘抑制直写光刻系统。
表面等离子体超分辨光刻通过调制表面等离子体透镜物体衍射的光谱分布，结合操纵像面处的电场分量，将物体的图像转化为近场倏逝波的形式进行光刻，从而实现倏逝波的放大和增强。 表面等离子体超分辨率光刻在理论上不受瑞利准则的限制。 由于表面等离子体的等效波长可以达到X射线水平，因此在I线（024倍。
发表在《科学》杂志上的表面等离子体超分辨率光研究结果。
纳米压印光刻（NIL）设备也是突破瑞利准则的重要途径。 原理很简单，利用传统机械模具的微复制原理，类似于印刷技术，将光刻胶涂在晶圆上，然后压制出具有特定图案的压模，通过压印直接形成复杂的2D或3D图案。
纳米压印光刻与传统光刻的比较。
2023 年 10 月 13 日，日本佳能公司宣布推出 FPA-1200NZ2C，这是一款可以制造尖端芯片的纳米压印设备。 日本佳能表示，该设备可以实现最小线宽为14nm的图案化，相当于5nm节点。 随着掩模技术的进一步改进，NIL有望实现2nm节点。 由于该设备不使用透镜，光刻工艺成本“将比ASML的EUV低个位数”，功耗将降低90%。
人们普遍认为，NIL技术被视为传统光刻技术的替代品，可以在3D NAND集成电路领域实现低成本的芯片量产。
BEUV光刻机技术提案
国际设备和系统路线图（IRDS）由工业界、学术界和学术界共同制定。 IRDS仍然保持国际半导体技术路线图（ITRS）的工作模式，每隔一年发布一份新的15年路线图，并每年更新一次。 IRDS是芯片产业发展的风向标。
IRDS给出了2037年光刻技术的发展需求。 虽然ASML最新型号的Twinscan EXE：5000 EUV光刻机勉强满足需求。 然而，由于多层反射器的高反射率角度范围有限，Twinscan EXE：5000 EUV光刻机在扫描方向上的变焦放大倍率为8：1，在垂直方向上具有4：1的变焦倍率。 这导致晶圆 16 上的最大场径为 26 mm5 mm，原数值孔径为 033 EUV光刻机的最大场径为26 mm和33 mm，这对大面积芯片的生产和EUV光刻机的良率影响很大。
IRDS开发光刻技术的必要性。
IRDS 还给出了 2037 年光刻机的发展**。 从长远来看，一方面，NA更高（例如NA提高到0）。70）EUV光刻机和波长6X NM 的 BEUV （Beyond Extreme Ultr**IOLET） 光刻机有两种选择。 后者的可能性更大，主要是因为波长是6X nm 的 BEUV 光刻机的比波长为 135nm EUV 光刻机具有更大的焦深自由度，可实现更大的工艺公差。
IRDS给出的光刻技术发展路线图。
BEUV光刻机技术面临的挑战
从长远来看，BEUV光刻机的研发可以完全继承以往EUV光刻机的研发成果。 但是，也存在一些新的技术挑战，主要是6X nm 光源，6X nm多层膜和6X nm 光刻胶。
BEUV光刻机完全继承了以往EUV光刻机的研发成果。
目前，有激光产生等离子体（LPP）、基于相对论电子束的各种加速器光源（包括同步辐射光源、自由电子激光器、稳态微束等）、放电等离子体（DPP）和激光辅助放电等离子体（LDP），以及高次谐波EUV光源。
目前，商用EUV光刻机使用激光等离子EUV光源。 其原理是，通过高强度激光与靶材的相互作用，靶材吸收高能量，被加热汽化，产生高温等离子体，产生135nm EUV光源是ASML商业化的EUV光刻机光源，采用双脉冲激发方案，分别对锡滴进行整形和电离。 首先，波长为1微米的皮秒预脉冲激光精确轰击直径约27微米的锡滴，该锡滴快速通过，使液滴膨胀并扩散成高密度的圆顶状分布。 然后，重复频率为50kHz、直径为几百微米的主脉冲二氧化碳（CO2）激光光斑再次精确轰击膨胀的锡滴，CO2激光的等离子体物理机理激发产生EUV光。
EUV光刻机光源的双脉冲激发方案
获得 6 的高亮度X-nm波长光源，目前采用1030nm Yb：YAG脉冲激光器件照射钆（GD）靶材产生等离子体，研究结果表明，GD等离子体的BEUV转换效率仅为047%。
目前，实际EUV光刻机中的EUV转换效率约为5%。 总之，BEUV光刻机的BEUV转换效率几乎比EUV光刻机低一个数量级！ 目前的EUV光刻机每天消耗30,000 kWh的电力，而BEUV光刻机可以达到300,000 kWh！
EUV光刻机光源。
当然，基于钆（GD）、铽（TB）、铝（Al）、镁（MG）和镁-铜-钆合金（MG65-CU25-GD10）等目标的激光等离子体。XNM光源仍在开发中，BEUV的转换效率应该还有提升的空间。
6.XNM多层膜的设计与传统的EUV多层膜相似，两者都源于薄膜干涉理论。 但是，它目前是商业化的13MOSI多层膜在5nm波段的反射率可达695%，寿命为 30,000 小时。 从理论上讲，La B 是一个优秀的 6Xnm多层膜结构的理论反射率可以达到78%以上！ 但是，实际上，6。然而，XNM多层膜的反射率研究结果却令人震惊，不到60%！这将大大增加投影光学中面罩和镜子的热量，加速 6XNM多层反射镜的老化和性能下降。
6.XNM多层膜反射率测试系统。
EUV光刻胶的一个关键问题是随机效应。 EUV光刻胶的EUV光子吸收和二次电子散射本质上是随机事件。 随机效应会导致缺陷，包括特征尺寸不均匀和边缘粗糙，甚至会导致严重的缺陷，例如缺少触点和桥接。 BEUV光刻胶面临的随机效应更为严重，这主要是由于在较短波长下光子吸收噪声水平明显更高。
关于BEUV光刻机技术的几点思考
以下是笔者对BEUV光刻技术的一些看法，需要注意的是，这些观点仅代表作者的观点。
1. Airy、Abbe 和 Rayleigh 的研究成果导致了 Rayleigh 准则的创建。 瑞利准则广泛应用于显微镜、望远镜、摄影机、光刻机等光学设备。 它为人们判断物体的细节是否可以通过光学设备来区分提供了一个标准。
2、21世纪，数以万计的理论和实验学者发表了“突破瑞利准则”，并取得了许多“全球高被引科学家”的成就。 多种超分辨成像技术打破了衍射极限的限制，突破了瑞利准则，带来了显微成像技术的新革命。
3、然而，这些“突破瑞利准则”的显微成像技术，尚未大规模商业化。 遵循瑞利准则的传统显微镜（分辨率约200nm）仍广泛应用于科研、工业生产、医疗、教育等诸多领域，其市场规模接近100亿美元，并呈现快速发展态势，市场规模不断扩大。
4、近60年来，瑞利准则一直是光刻机发展的基本原则，被光刻行业视为“黄金法则”。 光刻机的波长已经从435nm变成了现在的13五代5nm跨度，EUV光刻机的数值孔径NA也从033 比 055，其最终分辨率为8nm。
5.然而，高NA EUV光刻机的发展仍面临诸多挑战，除了高达3除了5亿欧元的价格外，在技术层面还存在许多不可接受的缺点，尤其是最大视场尺寸仅为26毫米165毫米，这对大面积芯片和良率影响很大，使得光刻“面积壁”问题更加突出。
6、瑞利准则的局限性是光刻技术发展的原则性障碍，是笼罩在光刻研究者头脑中的一层阴霾。 因此，正在研究各种超分辨率光刻技术，但商业化前景尚不确定。 纳米压印技术在3D NAND领域的应用前景初步显现，但在逻辑芯片中的应用前景并不乐观。
7.根据瑞利准则，波长为6X NM 的 BEUV 光刻机是 2037 年后延续摩尔定律的重要选择之一。 在相同的分辨率下，BEUV光刻机比EUV光刻机具有更大的焦深，从而具有更大的工艺公差。
8、BEUV光刻机技术远未成熟，包括6X nm光源，反射率更高，寿命更长 6x nm 多层膜和 6X nm 光刻胶。
9、虽然BEUV光刻机在技术上还远未成熟，但能否商业化，与其说是技术突破，不如说是摩尔定律延续的必要性。 其原因是在通过堆叠进行性能扩展的逻辑芯片的研究方面取得了进展。
10、BEUV光刻机完全继承了早期EUV光刻机的研究成果，毫无疑问，ASML作为唯一一家能够生产EUV光刻机的公司，在BEUV光刻机的研发中占据了非常有利的地位。
我是一名技术创作者