导语：瑞利判据历来是光刻机蓬勃的根蒂苦守，被光刻财富界奉为“天经地义”。同时，公建筑表的“冲破瑞利判据”的理论与测验学术论文车载斗量，成绩了诸多的“举世高被引科学家”。那么，瑞利判据的异常，BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，高出极紫外）光刻机是否会演化成光刻机的大结局？BEUV光刻机的营业化过程又面临哪些寻事？

　　芯片号称摩登社会的“产业粮食”，是音信财富的基石。自1958年集成电路诞生之日今后，芯片财产日益成为国民经济和社会兴旺的政策性、根基性、发端性财产。芯片长远地迁移了人类的临盆生存本领，从手机、家电、汽车等以全体耗费者为导向的C端产品，到颐养修造、电力、交通运输、电信、电子政务等以开业为导向的B端产品，再到国防范畴中的卫星、导弹、航母等装置，都离不开小小的芯片。所谓的“三百六十行，行行用芯”。

　　一颗芯片的诞生历程极其持久，资历重浸磨练，可分为芯片策画、前谈工序（芯片制作）和后说工序（封测）三个办法。前叙工序是芯片资产链的核心步伐，是指根据芯片陈设疆域，抉择乐高盖房子办法，以晶圆举措地基，在晶片或介质基片进步行扩散、薄膜、光刻、刻蚀、离子注入、化学拘束掷光(CMP)、金属化、量测等工序，层层往上叠的芯片建筑过程，终末将芯片调动公司计划好的电道图移植到晶圆上，并实现预定的芯片电学本能。

　　前讲工序九大筑立浸要包括：扩散炉、薄膜沉积开发(包括PECVD、LPCVD、ALD等)、光刻机、涂胶显影机、刻蚀机、离子注入创造、CMP、量测开发和洗濯制作。

　　在芯片设备历程中，光刻本领水准直接酌夺了芯片的最小线宽，定义了半导体器件的特色尺寸，直接酌夺芯片的制程水平和本能程度。毫无疑义，光刻工艺是芯片制造历程中本事难度最大、资本最高、周期最长的设施。优秀本事节点的芯片兴办须要60-90步光刻工艺，光刻资本占比约为30%，破耗时刻占比约为40-50%。

　　光刻机则是前道工序九大筑设之首，在芯片坐蓐线%。光刻机集成了物理学、超慎密光学、邃密仪器、高分子物理与化学、数学、质料、自动独霸、流体力学、高精度处境独霸、软件等40多个学科的最新科学进贡，在60余年的昌盛过程中, 光刻机（蕴涵其零部件）继续寻衅人类超邃密筑设装备的极限，被誉为“今世光学产业之花”，芯片财产 “皇冠上的明珠”。

　　瑞利判据一贯是光刻机发达的根柢据守，被光刻家当界奉为“理所当然”。如今的光刻机富强照旧进入高NA(Numerical aperture，数值孔径)的EUV光刻功夫，制程可达2nm及以下，揣测2025年泉源量产。

　　那么，后NA EUV光刻机将若何演化？BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，越过极紫外）光刻机是否会演化成光刻机的大收场？

　　基于光的衍射本性，一个无量小的理想光点，始末任何尺寸的“完美”镜头（本质上每个镜头都具有范围的孔径, 都具有像差）成像后，也会变成一个弥散的图案，即一个明暗相间的圆形光斑。此中以第一暗环为鸿沟的主旨亮斑称作“Airy斑”。简而言之，Airy斑重点是一起明亮区域，周围是一系列亮度继续消极的一心圆环。

　　1863年，恩斯特·卡尔·阿贝成为耶拿大学又名叙师 (Privatdozent)。1866年，蔡司(Carl Zeiss, 1816年—1888年) 雇用那时年仅26岁的阿贝作为孤傲找寻员，从事光学显微镜的调度和研究。必要指出的是，阿贝的物理叙座也需要蔡司公司制造的光学仪器。1872年，阿贝辞去了耶拿大学的工作，正式加盟蔡司公司。

　　1873年，阿贝基于“Airy斑”意思，提出了“Abbe光学衍射极限理论”（Diffraction limitation），离别率定义为：

　　此中，λ是光波长，n是样品与显微物镜之间介质的折射率，是显微物镜的孔径角。

　　阿贝是首位定义数值孔径术语的科学家。的确来讲，NA=nsin, 是透镜成像系统的数值孔径。是以，辩解率也可被定义为:

　　简而言之，古板光学显微镜可能探测到的物体最小细节是光波长的一半。该经典的公式被刻于阿贝墓碑上。

　　一目了然，今朝，EUV光刻机的镜头编制由蔡司公司所开发，镜头格式选取的超低热膨鼓玻璃来自于肖特公司。

　　1896年，英国物理学家瑞利以“Airy斑”理论为根柢，对“Abbe光学衍射极限理论”进行了进一步的扩张和细化，制作了“瑞利判据”(Rayleigh Criterion)。假若一个点光源的衍射图像的重心最亮处正好与另一个点光源的衍射图像第一个最暗处相浸合，瑞利认为这两个点光源正好能被这一光学仪器所区别。

　　“瑞利判据”是第一个明了给出了光学仪器别离才干的准绳。在此规范下，光学仪器的判袂率为：

　　瑞利判据平淡使用在光学成像的领域,包蕴显微镜、望远镜、拍照和其我们光学成像设备，用于现在万般光学仪器的最高空间分袂率的筹划公式。瑞利判据为你们供应了一个判断物体细节是否能够被光学显微镜分辩的圭臬，同时也教化所有人如何普及显微镜的辩解率，例如经历抉择更短的辐射波长、普及折射率或使工具有更大半孔径角的显微镜等手法。

　　瑞利的索求工作涵盖了电学、声学和光学等多个界限。1904年，诺贝尔物理学奖给予瑞利，以赞叹全部人在摸索最要紧的极少气体的密度以及在这些探究中浮现了氩。

　　个中，CD是光刻图形的特征尺寸，光学体制在晶圆上可竣工的最小线宽，即光刻机的阔别率，k1是工艺因子，DoF是光刻焦深，k2是工艺因子。

　　至此，瑞利判据是波长和数值孔径的表白式，它描写了光刻机衍射极限体系中的辞别率极限，成为了光刻机兴隆的基础遵循，近60年来，历来被光刻家当界奉为“理所当然”。

　　瑞利判据讲明，物体上两点之间的隔绝大于某个特定值时才会被分辨。这个特定值与入射光的波长和数值孔径NA有合。在光刻历程中，辩解率的极限直接裁夺了光刻机可以兴办的最小特质尺寸。光刻机的调度师和工程师们必需凭据瑞利判据来优化光刻机的策画与兴办，以普及光刻离别率极限，使光刻机可以辞别的两个点之间的间隔越来越小。凭证瑞利判据，提升单次光刻辨别率的技巧主要有以下三种道径：

　　除了分袂率除外，焦深DoF也是一个要叙参数。在实践的光刻历程中，光刻机镜头会有一个中央，而在这个焦点的范围保管一个晶片表面能够在垂直方向上变化的边境，只要光刻胶（即感光层）的厚度在这个界限内，那么所有胶层都能取得了然的曝光，不会导致光刻阔别率暴露昭着的下降。

　　多数来谈，光刻的差别率越高，焦深越小。也就是谈，光刻赞助的工艺容差就越小。在本质操作过程中，晶片的表面地位有纳米法式的转动，也会导致图案的细节局限变得隐晦，对光刻终归发作明白的作用。这对光刻机的调平调焦形式提出了更为冷淡的吁请。

　　第一种抬高光刻别离率途子，光刻机的波长照旧经历了从435nm（G-线nm（I-线nm（深紫外，DUV）、193nm（ArF，干式和水重没式）到今朝的13.5nm（极紫外，EUV）的强盛历程。

　　第二种普及光刻诀别率路子，数值孔径NA越大，搜集的衍射束就越多，光刻区别率就越高。DUV光刻机投影透镜的数值孔径NA也从0.4增大到0.93，在193nm浸没式光刻机中，由于晶圆和透镜之间推广了水，数值孔径NA可能高达1.35。敷衍EUV光刻机，数值孔径NA则从0.33降低到了0.55。

　　第三种进步光刻差别率门说，光刻格局分别率的进步还可能体验优化工艺参数来完毕。比如，离轴照明、计划光刻和光刻胶工艺，等等，用于减小工艺因子k1。单次光刻k1反响了光刻工艺中的现实景况，其理论极限是0.25。

　　为了进一步压缩工艺因子k1，多重曝光本事也被提出来。理论上，“193nm水浸没式本领”+“多沉曝光”能够行使于3nm节点的芯片坐蓐。只是本质上，当芯片参加7 nm节点，工艺杂乱度直线上升，其工艺举措是EUV光刻的5倍，光刻次数是EUV光刻的3倍，从而变成了难以治理的“80%的芯片良率”问题。而80%的芯片良率寻常是芯片工厂完毕盈利的轨范。

　　2023年12月，ASML研发的高NA EUV光刻机送达英特尔公司位于美国俄勒冈州的D1X工厂实行装配，该工厂依然成为英特尔公司最前沿探求的基地，也是该公司兴办每一代芯片本领的地方。

　　2024年2月10日， ASML向媒体大白了该高NA EUV光刻机，型号为TWINSCAN EXE:5000，NA达到了0.55，单次光刻辨别率达到了8nm，售价高达3.5亿欧元（约合27亿元公民币）。英特尔公司已完成Intel 18A（1.8nm）和Intel 20A（2nm）开发工艺的修筑。上述芯片工艺或将有片面应用高NA EUV光刻机。除了英特尔公司以外，台积电、三星电子、SK海力士、美光等头部晶圆厂商均在积极抢购大概故意向采购ASML新一代的高NA EUV光刻机。

　　瑞利判据是一片覆盖在显微成像和光刻身手索求者头顶的阴晦。进入21世纪，多种超阔别成像手艺冲破了衍射极限的畛域，冲破了瑞利判据，带来了一场新的显微成像技术革命。

　　STED成像技能源于爱因斯坦的受激辐射理论，是一种超诀别荧光成像工夫。其根底意义可能体会成：既然衍射效应引起弥散斑，那就找块“橡皮”把弥散斑方圆擦撤销，如许就可以打破瑞利判据了。

　　超别离成像的方向是将渺小的物体扩充，以供人类访问。但实际上，反过来的光刻进程（投影压缩）也是可行的。受STED成像工夫的启发，2009年，光刻武艺探究者提出了基于单色边际征服的速速超离别直写光刻武艺。一束532 nm的飞秒激光用作 “铅笔光”，造成实心光斑，实现光刻胶的双光子罗致鼓舞聚关；另一束532 nm的不断激光用作 “橡皮光”，酿成空心暗斑，实现单光子接收克制团圆。这两束光斑嵌套在全豹，就能起到超分袂光刻的效益，当前照旧可达成最小线 nm的超分辨刻写。

　　外观等离子体超差别光刻经历调制皮相等离子体透镜的物图形衍射的频谱漫衍，连接操控像平面处电场分量，告竣倏逝波推广增强，将物体的像变成近场倏逝波的办法用于光刻。外观等离子体超分辩光刻理论上又不受到瑞利判据的限制。由于外观等离子体的等效波长可能抵达X射线nm以下的光刻结果，是传统衍射极限的0.24倍。

　　纳米压印光刻（Nanoimprint lithography，NIL）制造也是打破瑞利判据的紧要途子。其意思特别简洁，挑选传统死板模具微复型原理，似乎于印刷本事，将光刻胶涂在晶圆上，然后压上印有特定图案的印模，直接始末压印酿成庞杂的2D或3D图案。

　　2023年10月13日，日本佳能公司宣告推出可能开发尖端芯片的纳米压印创造FPA-1200NZ2C。日本佳能公司称该兴办可完毕最小线nm节点。随着掩模武艺的进一步刷新，NIL有望告竣2nm节点。该制造缘由不行使镜头，于是光刻工艺资本 “将比ASML的EUV少一位数”，耗电量也会减少90%。

　　广博感觉，NIL技术被视为古板光刻技术的代替治理计算，在3D NAND 集成电路范围可告终更低成本的芯片量产。

　　国际创造和式样途径图 (IRDS)由家当界、政府和学术界协同允诺。IRDS仍纠合国际半导体技巧路途图(ITRS)的使命模式,每隔一年宣布一个新的15年路途图,并每年改正。IRDS是芯片资产强盛的风向标。

　　IRDS给出了2037时候刻本领的隆盛必要。尽管此刻ASML最新型号的Twinscan EXE:5000的EUV光刻机勉强能知足需要。但是，由于多层反射器具有高反射率的角度鸿沟有限，TWINSCAN EXE:5000 EUV光刻机在扫描方向上的退缩倍率是8:1，而在垂直方向上的退缩倍率守旧在本来的4:1。这导致晶片上的最大曝光场尺寸为26毫米×16.5毫米，从来的NA为0.33的EUV光刻机的最大曝光场尺寸为26毫米×33毫米，这对制造大面积芯片以及EUV光刻机产率都有较大效力。

　　IRDS也给出了2037光阴刻机的繁盛预测。从恒久来看，一方面，有更高NA（比如NA普及到0.70）的EUV光刻机和波长为6.X nm的BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超出极紫外）光刻机两种拣选。后者的可以性更大少少，紧张由来是一律分离率下，波长为6.X nm 的BEUV光刻机比波长为13.5nm的EUV光刻机具有更大的焦深DoF，带来更大的工艺容忍度。

　　从万世来看，BEUV光刻机的研发能够充裕秉承前期EUV光刻机的研发功绩。但是也面临少少新的技能寻衅，要紧包含6.X nm光源、6.X nm多层膜和6.X nm光刻胶。

　　当前，爆发 EUV 光源的方法有激光等离子体（laser produced plasma, LPP）、基于相对论电子束的万种加快器光源（蕴涵同步辐射光源、自由电子激光器、稳态微聚束等）、放电等离子体（DPP） 和激光提拔放电等离子体（LDP）、高次谐波EUV光源等。

　　当今商用的 EUV光刻机采用的是激光等离子体EUV光源。其意义是体验高强度激光与靶材的相互影响，使靶材招揽高能，而被加热气化并发作高温等离子体，从而发生 13.5nm的EUV光源，ASML公司商用化的EUV光刻机光源抉择了双脉冲引发盘算，分别对锡滴实行成形和电离。开头，1微米波长的皮秒预脉冲激光精准轰击速即阅历的直径约为27微米的锡液滴，使液滴膨胀， 扩散成高密度的圆顶状散布；紧接着，再三频率 50kHz、直径为几百微米的主脉冲二氧化碳（CO2）激光器光斑再次切确轰击膨胀后的锡液滴，经过CO2激光器鼓舞等离子体物理机制产生EUV光。

　　为赢得高亮度的6.X nm波长光源，方今行使波长为1030 nm的Yb:YAG脉冲激光创造映照钆(Gd)靶材爆发等离子体，探索到底表明，Gd等离子体的BEUV更调影响仅为0.47%。

　　今朝现实EUV光刻机中的EUV转换效用约为5%当中。简而言之，BEUV光刻机中的BEUV转换效力比EUV光刻机中的EUV退换效力低将近一个数量级！现在一台EUV光刻机每天的耗电量为3万度，而BEUV光刻机则可能到达30万度！

　　固然，基于钆(Gd)、铽(Tb)、铝(Al)、镁(Mg)和镁-铜-钆合金(Mg65-Cu25-Gd10)等靶材激光等离子体的6.X nm光源还在研发中，BEUV转换用意该当另有扶助的空间。

　　6.Xnm多层膜的布置与古板的EUV多层膜摆布彷佛，均发源于薄膜干涉理论。只是，当今还是贸易化13.5 nm波段的Mo/Si多层膜的反射率最高能够到达69.5%，寿命为30000小时。理论上，La/B是杰出的6.X nm多层膜系缚构，其理论反射率能达到78%以上！然而，实际上，6.Xnm多层膜的反射率摸索终究却令人大跌眼镜，亏空60%!这将大大加添了投影光学中掩模和反射镜的热量，加快6.Xnm多层膜反射镜的老化和性能衰减。

　　EUV光刻胶面临的一个要叙题目是随机效应。EUV光刻胶的EUV光子汲取和二次电子散射内心上都是随机事件。随机效应会导致缺点，包罗特征尺寸不平均和角落粗糙，甚至打仗缺失、桥联等严重欠缺。BEUV光刻胶面临的随机效应更为严重，重要由来是更短波长下的光子罗致噪声程度将显明上涨。

　　以下是作者几点对待BEUV光刻机身手的观点，必要稀奇指出的是，这些观点仅代表作者本人的。

　　1、艾里、阿贝和瑞利的摸索成效导致了瑞利判据的发生。瑞利判据广大行使于显微镜、望远镜、影相、光刻机等光学设备。为人们提供了一个判定物体细节是否能够被光学设备辨别的准则。

　　2、进入21世纪，公修设表的“冲破瑞利判据”的理论与考试学术论文习以为常，功绩了诸多的“环球高被引科学家”。多种超分别成像身手打破了衍射极限的范围，打破了瑞利判据，带来了一场新的显微成像技巧革命。

　　3、可是，这些“冲破瑞利判据”的显微成像本领尚未完成大领域营业化。坚守瑞利判据的古代显微镜（辩解率约200nm）依然普及运用于科研、家当坐蓐、疗养、教学等稠密领域，其阛阓规模切近100亿美元，而且涌现出快速蕃昌的趋势，阛阓界限向来推广。

　　4、近60年来，瑞利判据一直是光刻机畅旺的根柢死守，平昔被光刻资产界奉为“理所当然”。光刻机的波长还是体验了从435nm到今朝的13.5nm的五代凌驾，EUV光刻机的数值孔径NA也从0.33进步到0.55，其极限分离率达到8nm。

　　5、不外，高NA EUV光刻机的茂盛依旧面临诸多寻事，除了高达3.5亿欧元的售价外，技术层面仍旧有诸多令人难以接纳的过错，特别是最大曝光场尺寸仅为26毫米×16.5毫米，这对大面积芯片及产率功用较大，使光刻“面积墙”标题更为卓越。

　　6、瑞利判据界限是光刻技能焕发的事理性湮塞，是一片覆盖在光刻本领搜索者头顶的阴晦。为此，多种超辨别光刻本领正在找寻之中，不过商业化前景尚不明净。纳米压印技术发端流露了在3D NAND领域的行使前景，不外在逻辑芯片中的利用前景尚不乐观。

　　7、凭单瑞利判据，波长为6.X nm的BEUV光刻机是2037年后连续摩尔定律的紧要选择之一。一致分辩率下， BEUV光刻机比EUV光刻机具有更大的焦深，带来更大的工艺容忍度。

　　8、BEUV光刻机技巧上远未成熟，包含更高BEUV 改换效力的6.X nm光源、更高反射率和更龟龄命的6.X nm多层膜，尚有减轻随机效应的6.X nm光刻胶。

　　9、纵使BEUV光刻机技艺上远未成熟，不外能否生意化，与其讲取决于技巧上的冲破，不如谈取决于摩尔定律一连的须要性。其出处是逻辑芯片体验堆叠手法进行本能扩大的索求开展也在继续博得前辈。

　　10、BEUV光刻机充足接受了前期EUV光刻机的探求贡献，毫无疑问，手脚如今唯一能量产EUV光刻机的公司，ASML公司在BEUV光刻机研发中攻下了极具优势的地位。