解读国产光刻机困局（二）：EUV光刻机镜头mirror研究进度

强驴

2021-06-23 16:10·Jim博士

很多人认为国产EUV光刻机镜头（下文统称mirror）根本不是事儿，也有人说EVU光刻机的mirror不就是X射线反射镜吗？咱们国家同步辐射装置早就有了！事实真相又如何呢？

我们还是同样对德国蔡司、日本、及国内的EUV光刻机反射式mirror进度做一下对比。在详述mirror技术之前，我们先理清楚两个基本概念：

图1：EVU波段反射镜mirror

1，28nm以上的DUV工艺与7nm以下的EUV工艺最大的区别就是光源波长：EUV的光源波长为13.5nm（接近X射线波段），DUV的光源波则是193nm。

图2：极紫外EUV波段接近X射线波段

2，DUV光源，采用的是透镜；而EUV光源波长已经接近X射线波段，采用的是反射镜，与透镜的结构原理完全不一样：通常是40层的Mo/Si多层膜结构。

图3：EUV反射镜涂层的多层膜结构

德国蔡司mirror

EUV反射镜需要极高的表面平整度，在蔡司为ASML定制的EUV系统mirror表面粗糙度达到0.05nm。这是个什么概念呢？如果放大到类比于美国国土的面积，那么整个美国国土都是一个表面粗糙度小于0.4毫米的大平原（实际美国最高峰达到4421米）。

图4：蔡司EUV反射镜的表面粗糙度达到0.05nm

蔡司的反射镜mirror工艺主要基于计算机控制修形方法 (computer controlled polishing,CCP)和离子束抛光(ion beam figuring, IBF)。在这一工艺路线中，离子束抛光的加工精度及加工分辨率最高，是该路线中至关重要的一环。离子束抛光是利用离子轰击材料表面发生溅射实现原子级材料去除，是一种非接触式的抛光方法，是当前各类高精度光学元件重要的终道修形手段。

图5：德国蔡司的mirror工艺（CCP和IBF）

图6：蔡司反射式mirror的表面粗糙度在过去20年仍在不断迭代优化

图7：:3400的精度可以将图像从地球投影到月球上，误差小于20厘米

在蔡司和ASML的资料中，我们可以看到蔡司的反射式Mirror在过去20年一直迭代优化，其3400版本的精度可以达到将图像从地球投影到月球上，误差小于20厘米。而正是3400打开了ASML的7纳米和5纳米工艺的大门。而蔡司最新的5000镜头将为ASML打开2纳米工艺的大门。

当然，粗糙度只是我们用来通俗的理解镜面水平的最简单的一个参数，实际上mirror还有非常多的参数，也就是说，工艺远不止于调整粗糙度这么简单，这个我们以后再详细聊聊。

图8：蔡司EUV反射式mirror是ASML不断突破分辨率极限的核心工具

日本JECT公司的X射线mirror

JTEC公司提供最大长度为1米的X光反射镜，其形状误差为±1nm，粗糙度可加工至优于 0.1 nm。例如，如果在东京和大阪之间铺设一条铁路500公里，这相当于±0.5毫米的高度差。JTEC不仅可以提供平坦的形状，而且可以提供自由曲面，如椭圆曲面、圆柱形曲面、环面曲面和椭球曲面。

图9：日本JTECX射线反射镜产品

JTEC公司的同步辐射光源X射线反射镜被全球有40多个主流的同步辐射光源采用，主要分布在日本、美国和欧洲。中国的上海同步辐射光源、北京同步辐射光源、台湾新竹同步辐射光源均采用的是JTEC反射镜。

图10：日本JETC的X射线反射镜在全球同步辐射光源的应用名单（部分）

值得一提的是，JTEC的核心技术来自日本大阪大学的技术成果转化，而大阪大学在该X射线mirror领域有着50年的积累。JETC核心技术路线有别于德国蔡司，其核心是：等离子体化学气相粗抛和弹性粒子发射精修。该工艺路线全程为非接触式加工，化学作用为主，是日本针对 X 射线反射镜所研制并独有的，在全球光学元件制造中独树一帜。

粗抛光阶段利用等离子体化学气相抛光(plasma chemical vaporization machining，PVCM)，同时完成表面的抛亮以及对空间波长在 5 mm 以上的面形误差的修整；在面形精修阶段，采用弹性粒子发射抛光(EEM)，逐步提升加工分辨率和加工精度，实现超光滑表面的制备的同时，对 0.3 mm 以上的面形误差进行原子级别的修整。

从技术水平和技术路线而言，日本的反射式mirror不在德国蔡司之下。

图11：日本JTEC公司的弹性粒子发射精修技术

国内反射式mirror研发进度

国内的反射式mirror资料相对比较少，商业化的更难觅踪迹。我注意到有两条十年前的报道，分别来自上海光机所、长春光机所。早期国内的研究是把13.5nm作为软X射线波段来统一命名的，所以实际上这两个工作都涉及的是EUV反射镜。也就是说我们国内早期是有这部分的非常基础的研究工作。但是，这些研究都是非常基础的试验阶段的测试，并没有见到产业化的实例。

图12：2011年报道的上海光机所研究成果

图13：2012年长春光机所研究成果

而最新能查到的资料中，是2020年中国科学院光电技术研究所(简称光电所)报道采用围绕离子束展开的平滑、超光滑和面形精修的工艺流程，平面异形压弯镜可加工口径达到 1.26 m，为国内目前最长的同步辐射反射镜，并在与中国科学院高能物理研究所合作中，实现 200 mm 口径内平面镜加工粗糙度优于 0.3 nm。从资料来看，光电所在大口径光学镜头上积累了很多年的经验，但是在反射式mirror研究上也是比较基础的，可能不超过蔡司20年前的水平。

在调研中，很遗憾没有能查到国内在软X射线/EUV反射式mirror的实质性的商业化案例，一些国内的EUV发射镜经销商基本上代理的是国外品牌。

图14：国内厂商代理的日本NTT公司的EUV反射镜

综上所述，EUV反射式mirror是一个庞大的系统性工程，从德国蔡司和日本JTEC的成功来看，有两个要素值得我们关注：

1，长达几十年的技术积累；

2，密切结合商业化场景，无论是发展了同步辐射光源mirror，还是高精度光刻系统mirror，都是长达20年以上的与工业界完美结合、同步发展起来的，而不是在研究所里闭门造车而成。

回到文章开头提到的两个问题，我的意见是：

1，我们国家在EUV反射式mirror上几乎还是需要从起步开始，路漫漫其修远，是个大事儿。

2，我们国家同步辐射光源尽管已经发展了30多年，但同步辐射反射式mirror仍需进口，也是个大事儿。