极紫外光刻

Extreme Ultraviolet Lithography（EUV）也称 EUVL、13.5nm光刻、极紫外曝光、high-NA EUV、高NA极紫外

用13.5nm光子、真空反射光路和反射掩模进行高分辨投影，同时把光源功率、掩模缺陷、光子统计和材料反应作为同一系统预算。

专深出处 2 本教材

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约 1 分钟

EUV不是把193nm光源简单换成更短波长。13.5nm光会被空气、透镜和普通掩模强烈吸收，因此光源、照明、掩模和投影全部要在真空中用反射结构；从锡等离子体发出的光每经过一面反射镜都会损失功率，最后还要在薄光刻胶中用有限光子触发可控反应。

原创示意图，不表示真实比例与尺寸。

系统理解

约 3 分钟

EUV光刻首先是一条从光源到晶圆的光子预算链。主流LPP光源用预脉冲展开锡滴，再用高功率CO₂主脉冲形成等离子体；聚光镜把13.5nm窄带辐射送到中间焦点。转换效率、碎屑污染、聚光镜寿命和中间焦点功率共同限制可用剂量与每小时晶圆数。由于几乎所有材料都吸收EUV，系统必须在高真空中使用Mo/Si多层膜反射镜；每面镜反射率小于1，多次反射后的功率按乘积衰减。

EUV掩模本身也是一面反射镜：低热膨胀基板上叠加Mo/Si多层膜、保护层和吸收图形，并以约6°斜入射避免入射光与反射光重叠。吸收层高度和多层膜会产生阴影、H/V偏差、相位变化与焦点相关位移；基板不平整、埋藏缺陷和多层膜缺陷又会改变局部反射振幅或相位。保护膜把颗粒移出成像面，但EUV要往返穿过两次，因此透过率、热稳定性和机械强度都会直接进入产能和缺陷预算。

13.5nm光子先电离光刻胶分子并产生光电子和二次电子，再由光致酸、扩散、去保护和显影把离散事件变成连续轮廓。分辨率、线边/线宽粗糙度和灵敏度彼此耦合；降低剂量会减少局部光子数，使泊松涨落和随机缺孔、桥连或断线风险上升。薄胶、底层材料、化学放大胶、分子胶和金属氧化物胶分别在吸收、扩散、刻蚀强度、放气和剂量之间交换约束。

因此量产EUV不能由单个“分辨率”指标判定。标准NA到高NA还要处理掩模角带宽、三维效应、缩小倍率与曝光场尺寸；OPC/SMO必须纳入反射掩模、曝光缝位置、杂散光和随机项；工艺路线则要比较EUV单次/多次曝光与193i多重图形在掩模数、套刻、缺陷、产能、成本和良率上的系统结果。

位于版图与计算光刻之后、反射掩模和光刻胶共同成像之前，并连接光源、真空、套刻、缺陷检测、随机性及193i多重图形路线选择。

公式提示

晶圆端可用功率近似等于中间焦点功率乘以各反射面的反射率；局部吸收光子服从计数统计，泊松相对涨落随光子数的平方根倒数下降。这两条关系把产能与随机缺陷直接耦合起来。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
λ	nm	EUV曝光中心波长
PIF	W	中间焦点处进入扫描机的带内EUV功率
Ri	—	第i个反射表面的有效反射率，含谱宽、角度和污染影响
NA	—	晶圆侧投影物镜数值孔径，影响分辨率、焦深和掩模侧角度范围
Dose	mJ/cm²	光刻胶单位面积接收的EUV曝光能量
LER / LWR	nm	线边与线宽粗糙度，包含材料、成像和光子统计贡献

常见误区

认为EUV只是把193nm波长换成13.5nm，忽略真空、全反射光学和反射掩模重构了整个系统
认为光源标称功率就是晶圆可用功率，忽略转换效率、中间焦点定义和多镜面累计损耗
认为反射掩模只是普通掩模翻转使用，忽略多层膜、斜入射、阴影和埋藏缺陷产生的三维效应
认为提高NA只会改善分辨率，忽略角带宽、缩小倍率、曝光场、焦深和掩模三维效应同时收紧
认为剂量越低产能越高，忽略有限光子数会增加LER/LWR和随机缺失、桥连与断线
认为EUV必然在所有层取代193i多重图形，忽略规则性、套刻、缺陷、设备利用率和单位合格图形成本

工程深入

16 条结论 · 1 道例题

13.5nm光源与反射成像

定义

EUV是一条从锡等离子体到光刻胶的光子预算链

EUV量产能力不能由13.5nm波长单独描述；光源把激光能量转成带内辐射，聚光镜送至中间焦点，照明与投影镜逐级传递，反射掩模调制光场，最后由光刻胶吸收。任一环节的效率、污染或漂移都会同时改变剂量、产能和成像稳定性。^{1, 2}

成立条件 中间焦点功率与激光输入功率不是同一指标；应把带外辐射、碎屑、镜面污染和扫描占空比纳入可用功率；分辨率成立但剂量时间或部件寿命不可接受时，系统仍未量产闭合

曝光属于：EUV是以真空全反射结构实现投影曝光的一种平台。

机制

LPP用两级激光把锡滴变成可收集的13.5nm等离子体辐射

预脉冲先把微小锡滴展开为更适合吸收能量的形状，高功率CO₂主脉冲再把锡加热成等离子体；多层膜聚光镜收集其中窄带EUV并聚焦到中间焦点。转换效率决定生成量，碎屑和锡沉积则持续损伤聚光镜反射率。^{1, 2}

成立条件 锡滴位置、形貌和激光脉冲时序必须同步；中间焦点之后才是扫描机可接受的光源边界；光源功率提高必须与碎屑抑制、清洁和聚光镜寿命一起评估

公式

多面反射镜使晶圆端功率按反射率乘积衰减

EUV不能用普通透镜传输，照明、掩模和投影都依赖多层膜反射；每面镜都只保留一部分入射光，因此增加一面镜或出现轻微污染都会乘法式降低晶圆端功率，而不是只增加一个固定损失。^{1, 2}

Pwafer ≈ PIF × ∏Ri

Pwafer: 到达晶圆的有效EUV功率，单位 W
PIF: 中间焦点处的带内功率，单位 W
Ri: 第i个反射面的有效反射率

成立条件 Ri应使用工作波长、入射角、偏振和污染状态下的有效反射率；公式未单列掩模、保护膜、谱过滤和扫描占空比，可作为额外乘子加入；成像质量与镜面数量存在像差校正和功率损失之间的权衡

边界

提高NA会同时收紧角带宽、曝光场和掩模三维边界

更高NA收集更大角度的衍射光并提高分辨率，但掩模侧入射与反射光锥更难分离，多层膜反射率随角度变化更明显，三维掩模效应加重。提高缩小倍率或采用非对称倍率可缓和角度问题，却会缩小一次曝光场并增加扫描和拼接负担。^{1, 2}

成立条件 标准NA与高NA不能只用同一套薄掩模模型外推；曝光场变小会增加扫描次数，产能还取决于台速、剂量和非曝光时间；NA提高还会缩小焦深，并收紧调平、掩模形貌和套刻控制

反射掩模与三维成像

定义

EUV掩模是带图形的多层反射光学元件

EUV掩模由低热膨胀基板、Mo/Si周期多层反射膜、保护层、图形吸收层和背面导电层构成；亮区靠多层膜布拉格反射，暗区靠吸收层抑制反射，背面导电层支持静电夹持。它同时承担图形、相位、热形变和位置基准。^{1, 2}

成立条件 多层膜的周期、界面粗糙度和中心波长共同决定反射峰；吸收层材料和高度会改变三维散射而非仅改变透过率；基板热膨胀、平整度和夹持状态会传递为图形位置误差

掩模版用于：EUV把透射掩模改为多层膜反射掩模，仍属于掩模生命周期的一部分。

机制

斜入射与吸收层高度共同产生方向相关的掩模三维效应

为给反射光路让出空间，EUV以约6°主光线斜照掩模；有限厚度吸收层会遮挡一侧反射光，导致H/V偏差、最佳焦点差、图形位移和随曝光缝位置变化的成像差异。掩模不再能被视为无厚度的二维振幅函数。^{1, 2}

成立条件 效应随图形方向、吸收层形貌、照明角度和NA变化；掩模离焦会把相位和方向差转成额外位置误差；高NA扩大掩模侧角度范围，通常需要更严格的三维电磁模型

公式

掩模高度误差会通过斜入射反射变成晶圆图形位移

掩模局部高度变化使入射与反射光程共同改变；在小角度几何近似下，晶圆侧位置误差与高度误差、入射角正切成正比，并由投影缩小倍率折算。掩模平整度因此直接属于套刻预算，而不只是对焦问题。^{1, 2}

Δxwafer ≈ (2/m) · Δzmask · tanθ

Δxwafer: 晶圆侧图形位置变化，单位 nm
Δzmask: 掩模局部高度误差，单位 nm
θ: 掩模主光线入射角
m: 掩模到晶圆的缩小倍率

成立条件 公式是反射几何的一阶近似，实际还要加入扫描方向、物镜畸变和场位置；m为掩模到晶圆的线性缩小倍率；高阶形貌或高NA条件需用完整成像模型核验

对准与套刻影响：掩模平整度与夹持高度通过反射几何进入图形放置和套刻残差。

机制

埋藏缺陷、可印性检查与保护膜构成同一缺陷闭环

EUV掩模缺陷既可能位于吸收层表面，也可能埋在基板或多层膜中并改变局部反射相位；常规表面检查不能完整判断是否会印到晶圆。需用actinic/AIMS类成像评估可印性，再结合图形平移或旋转避让、有限修补和复核；保护膜拦截后续颗粒，但光需往返穿过两次。^{1, 2}

成立条件 缺陷是否可印取决于位置、相位、图形环境、焦点和剂量；保护膜透过率损失会平方式进入往返光路并降低产能；保护膜还必须承受真空中的辐射散热、机械应力与清洁环境

光刻胶、二次电子与随机效应

机制

EUV先产生电离与二次电子，再由化学反应形成显影轮廓

高能EUV光子被胶膜吸收后产生光电子和二次电子，电子在有限距离内沉积能量并触发光致酸或其他反应；化学放大胶再经酸扩散、去保护和显影形成图形。最终边缘因此同时包含光学像、电子输运、分子统计和显影动力学。^{1, 2}

成立条件 二次电子扩散会越过名义光学边缘并带来材料相关模糊；酸扩散能提高化学增益，也会平滑或移动小尺寸边缘；放气产物会污染反射镜，材料资格必须在EUV真空曝光条件下评估

光刻胶用于：EUV光刻胶把离散高能光子通过电子与化学反应转成溶解度差。

边界

分辨率、粗糙度与灵敏度不能分别独立优化

提高酸扩散或化学增益可降低所需剂量，却可能扩大边缘模糊和随机反应范围；缩短扩散、提高中和剂或使用更小分子能改善分辨率和LER/LWR，却常牺牲灵敏度。EUV胶必须在同一材料与工艺条件下同时报告三者，而不能择一宣称最优。^{1, 2}

成立条件 比较RLS时必须保持图形类型、膜厚、曝光工具和统计定义一致；更低剂量只有在随机缺陷和粗糙度仍满足目标时才形成净产能收益；图形倒塌、刻蚀耐受和放气会进一步缩小材料可用窗口

公式

有限光子数使局部相对涨落按平方根倒数下降

若局部吸收光子数近似服从泊松统计，其标准差为计数平方根，相对涨落为计数平方根的倒数。剂量降低、有效吸收率下降或图形面积缩小时，局部事件数减少，因此接触孔缺失、桥连、断线和LER/LWR尾部风险会增加。^{1, 2}

σN = √N；σN/N = 1/√N

N: 局部有效吸收光子或独立反应事件数
σN: 泊松计数标准差

成立条件 该关系只描述光子计数基线，真实随机性还包含吸收位置、二次电子、PAG与聚合物离散性；小接触孔和短线端必须按局部体积评估，不能用全片平均剂量代替；增加剂量可降低相对计数噪声，但会延长曝光时间并降低产能

例题：动手算一次教学假设，可复算

若一个教学用局部图形窗口平均记录400个独立有效事件，而另一窗口通过更高剂量达到1600个，二者的计数标准差和相对涨落各是多少？

已知

低计数窗口N₁=400
高计数窗口N₂=1600
事件近似独立并服从泊松计数
暂不加入化学放大与材料噪声

步骤

σ₁=√400=20；σ₁/N₁=20/400=5%，低计数窗口的绝对标准差为20个事件，相对涨落为5%
σ₂=√1600=40；σ₂/N₂=40/1600=2.5%，事件数提高4倍时，绝对标准差增大但相对涨落减半

结果 400个事件时相对计数涨落为5%；1600个事件时为2.5%。

增加局部有效事件数可按平方根规律降低相对随机波动，但收益不是线性的；缩小图形或降低剂量会反向放大随机尾部。

不能外推到 这是理想泊松下限，不是实际缺陷率预测；光子吸收、二次电子、抗蚀剂化学、显影与空间相关性都会增加或改变真实波动。

关联

材料路线与底层材料在吸收、扩散和刻蚀之间重新分配约束

化学放大胶以酸催化获得灵敏度但承担扩散；分子胶缩小反应单元；非化学放大或金属氧化物胶可提高EUV吸收和刻蚀耐受但常需要更高剂量并引入材料稳定性问题。薄胶下的底层材料还能调节表面粗糙、二次电子、黏附和图形转移。^{1, 2}

成立条件 底层材料不是传统抗反射层的简单复制，EUV下更关注吸收、电子与表面相互作用；高吸收不自动等于低粗糙度，仍需检查反应单元和显影统计；材料选择必须与膜厚、倒塌、放气、刻蚀和污染控制共同验证

计算补偿与量产闭环

机制

EUV的OPC与SMO必须显式纳入反射掩模和场位置

EUV邻近效应不仅来自有限NA，还包括斜入射掩模三维散射、H/V差、焦点相关位移、曝光缝位置、像差、杂散光和光刻胶随机性；同一掩模图形在场内不同位置的最优修正可能不同，传统可平移复用的二维模型因此需要扩展。^{1, 2}

成立条件 模型需由EUV掩模和晶圆数据校准，并用独立图形验证；高精度三维电磁模型计算量大，全芯片应用需降阶但不能丢失关键位置依赖；OPC改善平均轮廓后仍要单独评估随机缺陷尾部

OPC与计算光刻影响：EUV的反射掩模与斜入射要求在OPC/SMO模型中增加M3D和场位置依赖。

边界

EUV与193i多重图形要按图形层和单位合格图形比较

EUV可减少复杂层的掩模和多次套刻步骤，但规则单向图形的SADP可能保持较低粗糙度和成熟良率；EUV本身也可能采用多次曝光。路线选择应对每一层比较掩模数、图形自由度、套刻、随机缺陷、工序、设备产能和返工限制，而不是按波长新旧排序。^{1, 2}

成立条件 EUV层与193i层之间仍存在matched-machine overlay预算；规则阵列与复杂逻辑周边可能采用不同路线；设备可用率、光源寿命和剂量必须进入单位合格图形成本

多重图形化对比：EUV与LELE/SADP是可组合也可替代的图形化路线，应按层级共同优化。

关联

量产就绪要求光源、掩模、光刻胶、光学和套刻同时关闭

提升光源功率若加快聚光镜污染，改善光刻胶灵敏度若提高粗糙度，增加保护膜若损失双程光量，提高NA若缩小曝光场，都可能把瓶颈转移而非消除。量产窗口必须用共同指标追踪剂量、产能、部件寿命、缺陷、CDU、套刻和良率。^{1, 2}

成立条件 任一子系统的单点演示不能代表整机量产；平均指标合格时还需检查晶圆内、场内、批间和寿命末期分布；变更光源、掩模或胶材后应重新验证计算模型和工艺窗口

对准与套刻影响：EUV场尺寸、掩模平整度和与193i层匹配共同进入套刻控制。

可靠性影响：光源与反射镜寿命、污染和随机缺陷决定长期量产稳定性。

机制

EUV优化目标是单位时间内稳定交付合格图形

完整闭环从目标图形和失效模式出发，联合选择NA与照明、掩模吸收层和修正、胶材与剂量、保护膜、检测量测及工艺路线；再用晶圆CD、粗糙度、随机缺陷、套刻、产能和良率反馈更新模型。最终目标不是最高单项分辨率，而是可重复的合格输出。^{1, 2}

成立条件 学习循环要区分光源漂移、掩模缺陷、模型误差、材料随机性和刻蚀放大；缺陷尾部与平均CD必须同时进入放行判据；教材中的历史设备数值用于理解演进，不应当作当前所有平台的通用规格

出处

2 本教材 · 4 处引用

1
衍射极限附近的光刻工艺
伍强等 · 2020年2月第1版 · 2020
- 第 6 章 6.11–6.11.4，第 228–233、597–610 页 支持：EUV是一条从锡等离子体到光刻胶的光子预算链；LPP用两级激光把锡滴变成可收集的13.5nm等离子体辐射；多面反射镜使晶圆端功率按反射率乘积衰减；提高NA会同时收紧角带宽、曝光场和掩模三维边界；EUV掩模是带图形的多层反射光学元件；斜入射与吸收层高度共同产生方向相关的掩模三维效应；掩模高度误差会通过斜入射反射变成晶圆图形位移；埋藏缺陷、可印性检查与保护膜构成同一缺陷闭环；EUV的OPC与SMO必须显式纳入反射掩模和场位置；EUV与193i多重图形要按图形层和单位合格图形比较；量产就绪要求光源、掩模、光刻胶、光学和套刻同时关闭；EUV优化目标是单位时间内稳定交付合格图形
- 第 4 章 4.5–4.5.6，第 93–100、601–602 页 支持：EUV先产生电离与二次电子，再由化学反应形成显影轮廓；分辨率、粗糙度与灵敏度不能分别独立优化；有限光子数使局部相对涨落按平方根倒数下降；材料路线与底层材料在吸收、扩散和刻蚀之间重新分配约束
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2
超大规模集成电路先进光刻理论与应用
韦亚一 · 2016年6月第1版 · 2016
- 第 11 章 11.1–11.3.5，第 494–517 页 支持：EUV是一条从锡等离子体到光刻胶的光子预算链；LPP用两级激光把锡滴变成可收集的13.5nm等离子体辐射；多面反射镜使晶圆端功率按反射率乘积衰减；提高NA会同时收紧角带宽、曝光场和掩模三维边界；EUV掩模是带图形的多层反射光学元件；斜入射与吸收层高度共同产生方向相关的掩模三维效应；掩模高度误差会通过斜入射反射变成晶圆图形位移；埋藏缺陷、可印性检查与保护膜构成同一缺陷闭环
- 第 11 章 11.4–11.6.4，第 519–540 页 支持：EUV先产生电离与二次电子，再由化学反应形成显影轮廓；分辨率、粗糙度与灵敏度不能分别独立优化；有限光子数使局部相对涨落按平方根倒数下降；材料路线与底层材料在吸收、扩散和刻蚀之间重新分配约束；EUV的OPC与SMO必须显式纳入反射掩模和场位置；EUV与193i多重图形要按图形层和单位合格图形比较；量产就绪要求光源、掩模、光刻胶、光学和套刻同时关闭；EUV优化目标是单位时间内稳定交付合格图形
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公式提示

关键参数

常见误区

13.5nm光源与反射成像

#EUV是一条从锡等离子体到光刻胶的光子预算链

#LPP用两级激光把锡滴变成可收集的13.5nm等离子体辐射

#多面反射镜使晶圆端功率按反射率乘积衰减

#提高NA会同时收紧角带宽、曝光场和掩模三维边界

反射掩模与三维成像

#EUV掩模是带图形的多层反射光学元件

#斜入射与吸收层高度共同产生方向相关的掩模三维效应

#掩模高度误差会通过斜入射反射变成晶圆图形位移

#埋藏缺陷、可印性检查与保护膜构成同一缺陷闭环

光刻胶、二次电子与随机效应

#EUV先产生电离与二次电子，再由化学反应形成显影轮廓

#分辨率、粗糙度与灵敏度不能分别独立优化

#有限光子数使局部相对涨落按平方根倒数下降

已知

步骤

#材料路线与底层材料在吸收、扩散和刻蚀之间重新分配约束

计算补偿与量产闭环

#EUV的OPC与SMO必须显式纳入反射掩模和场位置

#EUV与193i多重图形要按图形层和单位合格图形比较

#量产就绪要求光源、掩模、光刻胶、光学和套刻同时关闭

#EUV优化目标是单位时间内稳定交付合格图形

衍射极限附近的光刻工艺

超大规模集成电路先进光刻理论与应用

EUV是一条从锡等离子体到光刻胶的光子预算链

LPP用两级激光把锡滴变成可收集的13.5nm等离子体辐射

多面反射镜使晶圆端功率按反射率乘积衰减

提高NA会同时收紧角带宽、曝光场和掩模三维边界

EUV掩模是带图形的多层反射光学元件

斜入射与吸收层高度共同产生方向相关的掩模三维效应

掩模高度误差会通过斜入射反射变成晶圆图形位移

埋藏缺陷、可印性检查与保护膜构成同一缺陷闭环

EUV先产生电离与二次电子，再由化学反应形成显影轮廓

分辨率、粗糙度与灵敏度不能分别独立优化

有限光子数使局部相对涨落按平方根倒数下降

材料路线与底层材料在吸收、扩散和刻蚀之间重新分配约束

EUV的OPC与SMO必须显式纳入反射掩模和场位置

EUV与193i多重图形要按图形层和单位合格图形比较

量产就绪要求光源、掩模、光刻胶、光学和套刻同时关闭

EUV优化目标是单位时间内稳定交付合格图形