極紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），簡稱EUV光刻或EUVL，是通過將曝光波長大幅減小至13.5nm來實現更小節點光刻的技術，屬于一種步進式投影曝光技術。它使用激光脈沖（Sn）液滴等離子體，產生接近13.5nm波長的極紫外光，通過使用反射光掩模曝光涂有光刻膠的基板來生產電路圖形。截至2023年，主要還是應用于先進的半導體器件制造領域上。
極紫外光刻技術主要由四個關鍵部分組成，分別是：極紫外光源、極紫外光學系統、極紫外掩膜和極紫外光刻膠。
極紫外光刻光刻技術已經被廣泛應用于先進工藝節點的集成電路芯片制造之中，其實際應用比原先估計的將近晚了10多年。它的研發交叉融合了光學、機械、電子、控制、軟件、材料、數學、物理等多個學科的知識，極紫外光刻技術的研發始于20世紀80年代。
在2019年國際電子器件會議（IEDM）上，臺積電報告了EUV在接觸、通孔、金屬線和切割層中的5nm節點的使用，在IEDM2020上，臺積電報告其5nm節點最小金屬間距比其7nm節點減少了30%。三星電子的5nm節點在光刻上與其7nm節點相同的設計規則，最小金屬間距為36nm。截至2023年，ASML Holding是唯一一家生產和銷售用于芯片生產的EUV系統的公司，目標是5納米和3納米工藝節點。2025年4月，中科院上海光機所取得EUV光刻機光源相關技術重要突破，成功開發出LPP-EUV光源。
發展歷史
1988年Hawryluk和Seppala描述了極紫外成像系統的早期概念。后來T.E.Jew-ell發表了四反射鏡環場成像系統的設計。
1997年，美國半導體巨頭英特爾和美國能源部就共同發起成立了EUV有限責任公司，即EUV LLC，研究EUV光刻技術。隨后，EUV LLC納入ASML，允許其享受基礎研究成果，同年，日本也成立了類似的機構（半導體 Leading Edge TechnologiesInc. Selete)。
2005年，兩套全場α型投影光刻系統首次問世。
2010年，荷蘭的荷蘭ASML公司（ASML）成功推出第一臺EUV光刻機NXE：3100。
2016年 ASML公司推出 TWINSCAN NXE3400B光刻機，采用13.5nm曝光波長，數值孔徑0.33，分辨率可達13nm，支持7nm和 5nm工藝節點，可實現每小時125片的產率 。
2018年，臺積電宣布了有關極紫外光刻(EUV)技術的兩項重磅突破，一是首次使用7nm EUV工藝完成了客戶芯片的流片工作，二是5nm工藝會在2019年4月開始試產。
2022年第三季度ASML推出了最新浸入式系統TWINSCAN NXT：2100i，該系統除了對透鏡計量、光罩調節和晶圓表的內在改進以及對整體交叉匹配改進外，NXT：2100i還具有對準優化器12顏色包等創新。該系統能提供每小時295片晶圓的生產率，能夠為3nm及以下節點上的浸沒層的提供最具成本效益的解決方案。
2025年4月，中國科學院上海光機所林楠研究員團隊使用固體激光器技術成功開發出LPP-EUV光源，已經達到國際靠前、國內領先水平，對中國自主開展EUV光刻有重要意義，有望啟動國產EUV光刻。其中林楠團隊1μm固體激光的CE最高可達到3.42%，超過了荷蘭和瑞士研究團隊的水平，雖沒有超過4%，但已達到了商用光源5.5%轉化效率的一半。
原理
EUV光刻
EUV能夠使受輻照的物質發生電離，不同元素原子對EUV吸收截面不同。以通常使用的化學增強光刻材料(Chemically Amplified Resists,CAR)為例對EUV表現為非選擇性吸收，基質材料對EUV 吸收貢獻最大，而在ArF系統中，基質表現為透明，由光酸產生劑(photo acid generation,PAG)的光能團直接吸收一定量的光產生曝光作用。EUV光刻具有非常高的分辨率，可以用于制造更細的線寬和更小的晶體管尺寸，從而提高芯片的集成度和性能。
EUV光刻原理如下圖所示。光源采用氣體噴射靶激光等離子體光源或同步輻射光工作氣體為氙氣，利用激光能或電能轟擊靶材料產生等離子體等離子體發EUV輻射，EUV輻射經過由周期性多層薄膜反射鏡組成的聚焦系統單射到反射掩模上， EUV 光再通過反射鏡組成的投影系統，將反射掩模上的集成電路的幾何圖形成像到硅片上的光刻膠中，從而形成所需要的光刻圖形。
極紫外光刻技術已經被廣泛應用于先進工藝節點的集成電路芯片制造之中。它的研發交叉融合了光學、機械、電子、控制、軟件、材料、數學、物理等多個學科的知識。
DUV光刻
DUV光刻也叫深紫外光刻，是利用深紫外光的能量和精度來實現高分辨率和高精度的光刻制程。在半導體產品實際制造過程當中，光刻工藝的應用范圍很廣，并不僅局限于芯片制造前道，后道封裝工藝，甚至是半導體顯示、LED等泛半導體制造都會用到光刻技術。根據半導體專家莫大康的介紹，如果按照光源類型劃分，不僅有極紫外光刻機，還有ArF浸沒式光刻機、ArF干式光刻機、KrF光刻機、i-譜線設備等。其中，ArF、ArF和KrF都屬于深紫外線光刻機(DUV)，才是當前半導體制造的主力，無論是圖像傳感器、功率IC、MEMS、模擬IC，還是邏輯IC，背后都有其身影。
根據ASML發布的2021年第一季度的財報，整個DUV產品線(ArFi+ArF+KrF)的銷售額占比達到60%。ASML CEO Peter Wennink 在進行業績說明時表示：“與上個季度相比，我們對今年的展望有所增強，這主要是由于對DUV的需求所致。隨著對先進工藝節點的需求不斷增加，以及成熟工藝節點的運行時間越來越長，外加產能爬坡，對浸入式和干式系統的需求比以往任何時候都強。”
關鍵技術
極紫外光源
EUV光源可以分為光產生、光收集、光譜純化三個部分。
①光的產生有兩種方法：激光等離子體光源(LPP)和放電等離子體光源(DPP)。LPPEuvL系統，主要包括激光器、匯聚透鏡、負載、光收集器、掩模、投影光學系統和晶片。其原理是利用高功率激光加熱負載(Xe或Sn)形成等離子體，等離子體輻射出紫外線，利用多層膜反射鏡多次反射凈化能譜，獲得13.5nm的EUV光。LPP EUV光源的優點是光源尺寸小，產生碎片或粒子的種類少，光收集效率高；主要缺點是EUV輸出功率小，且系統透射率不足，難以實現并保持高吞吐量，同時價格昂貴。
②光收集器就是一個反射鏡，通常是橢球面的，也有球面或平面的，其研究重點是增大收集角，提高反射效率和延長使用壽命。目前DPP光源的光收集器立體角已達到1.8sr，理論極限為3.144sr，LPP光源的光收集器已達到理論極限5sr。目前光收集器的反射效率已達到55％，理論極限為70％，尚有提高的余地。
③光譜純化是利用多層膜反射鏡多次反射實現的，為了滿足EUV對光譜純度的要求，通常要經過7次反射。目前的多層膜通常用硅作基底材料，每層厚度7nm左右，材料為Mo/Si，層數40層左右，達到的峰值反射率接近70％。
極紫外光學系統
極紫外光學系統由照明系統和微縮投影光學系統組成，受其工作波段限制只能采用全反射式系統。而鍍制了Mo/Si多層膜的反射元件，正單射時只能獲得70%左右的反射率，因此，極紫外光學系統必須盡可能減少反射鏡的個數。在極紫外光學系統中，光源一般由一個大功率激光器、激光束傳輸和聚焦光學元件以及一個光源容器組成。其中，13.5nm的光是由激光脈沖等離子體在真空容器中激發錫分子產生的。在真空容器中，錫滴通過來自激光的高強度脈沖的焦點，約30μm直徑熔融錫滴遇到高強度的脈沖激光后蒸發，錫原子被電子激發和電離，產生電子溫度為10eV的熱等離子體。電子離子復合和等離子體中的離子去激發釋放13.5nm的光子。
極紫外掩膜
由于極紫外光的波長較短，幾乎所有的光學材料對13.5nm波長的極紫外光都有較強的吸收。掩模表面反射的光包含有掩模上的圖形信息，實現曝光。在極紫外相移掩模中，掩模上吸收層的反射光電場向量與相鄰區域反射光矢量的相位差是180°，圖形邊緣區域發生相消干涉，使得分辨率增強。這是通過調節掩模上吸收層的光學參數（n、k、d），使得吸收層具有一定的反射率來實現的。
極紫外光刻膠
光刻膠的主要組成部分包括成膜沒藥樹、感光劑、溶劑以及其它添加助劑。其中成膜樹脂起到主要的成膜作用，同時也要具有一定的耐熱性和抗刻蝕性；感光劑主要起到吸收光子并引發相應的化學反應，進而起到溶解度控制的作用。此外，光刻膠中還有可能含有相應的穩定劑，幫助涂膜的流平劑等材料。然而，光刻膠并不是一成不變的，不同波長的光源，不同的應用情景都對光刻膠有著較為特殊的要求，光刻膠的研發也隨著應用的需求不斷進步。
EUV光罩
EUV光罩是光掩模版的一種，用于在IC制造過程中將設計好的電路圖形投影在晶圓上，利用光刻技術進行蝕刻。EUV光罩是以高純二氧化硅為襯底，其上鍍以鉻層及感光膠層，當鍍膜石英玻璃上的圖像可以覆蓋整個晶圓時，即稱之為EUV光罩。在芯片制造過程中，EUV光刻機將光掩膜板上的電路圖通過EUV光線刻錄到涂了光刻膠的硅晶圓上，而光掩膜板上面有一層保護膜，保護光罩表面免受空氣中微分子或污染物的影響，以及保護當EUV光線刻錄時帶來的影響。這層保護膜通常是由硅材料制造的，但是有些公司如韓國石墨烯實驗室 (Graphene Lab) 開發出了基于石墨烯制造的EUV光罩保護膜 (Pellicle)。石墨烯材質的保護膜性能更好，能承受更高的溫度，同時有更高的硬度，更佳的透度，所以當EUV光線進行光刻時，能夠降低誤判，從而提升良率。
集成電路上的應用
隨著信息社會的不斷發展，集成電路（芯片）已經融入通信、醫療、交通等人們生活的方方面面 ，成為現代信息產業的核心，成為衡量一個國家綜合實力、現代化程度的標志和國際競爭的焦點。
2018年以來5G通信、人工智能、物聯網、自動駕駛等新技術的出現極大地增加了對集成電路芯片的需求。光刻是硅片加工過程的核心，光刻可分為8個步驟，氣相成底膜、旋轉涂膠、軟烘、對準曝光、曝光后烘焙、顯影、堅膜烘焙和顯影檢查。氣相成底膜 的作用是更好的黏結硅片和光刻膠。旋轉涂膠是在硅片表面均勻地涂上光刻膠。軟烘是蒸發掉光刻膠中的溶劑。對準曝光是為了將掩模板上的電路轉移到光刻膠上。顯影是為了對未曝光的光刻膠進行化學分解使圖案顯影。堅膜烘焙是使光刻膠溶劑揮發，增強光刻膠和硅片的黏結。最后對光刻膠圖形進行檢查，為隨后的刻蝕做準備。將掩模圖形精確地轉移到硅片上需要光刻機設備。衡量光刻機性能的指標有分辨率、套刻精度和產率。
通過對特定的掩模圖形進行曝光可以得到的最小特征尺寸稱為光刻分辨率，它是光刻機最主要的性能指標之一，決定了集成電路上單個器件的最小尺度。套刻精度是曝光圖形位置與其規定位置之間的偏差。產率是光刻機的工作效率，一般用光刻機每小時曝光的硅片數量表示。伴隨著摩爾定律的不斷發展，集成電路芯片上的晶體管尺寸不斷減小、數量不斷增加，要求光刻技術和光刻設備不斷創新與發展。
未來發展
未來幾年可能會出現所謂下一代光刻技術，如NIL(納米壓印光刻)。傳統的EUV(極紫外光刻)光刻機在制造晶體管時會遇到它的物理極限，NIL光刻機最大的好處是光源相對便宜，即不需要用能源轉換效率低的EUV的激光源，而是只用一些DUV(深紫外光刻)或者是更成熟的光源就可以結合納米涂層的方法實現一至兩納米制程的量產。
EUV光刻的未來發展將把數值孔徑（NA）從0.33增加到0.55(High NA)。業界預測，High-NA EUV將面向2納米乃至埃米級工藝節點，是在未來10-20年成為半導體晶圓制造的頂尖工藝支撐設備之一。
參考資料 >
什么是EUV光刻機？為什么大家都在追求它？.今日頭條.2023-09-23
臺積電引進最先進EUV光刻機，誰該著急了？.今日頭條.2023-09-23
7nm+EUV工藝大規模量產，EUV光刻機銷量有望走高.今日頭條.2023-09-23
臺積電有望率先步入5nm時代.今日頭條.2023-09-23
ASML:我們有五個EUV光刻機客戶.網易.2023-09-23
3.42%！上海光機所取得重要突破，在極紫外光刻EUV光源上，繞過二氧化碳激光，使用固體光源達到國際領先水平.哇喔-抖音短視頻.2025-04-29
ASML：下一代EUV光刻機將于2025年首次部署.今日頭條.2023-09-14
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