极紫外（EUV）光刻是目前半导体制造中最先进的光刻技术，也是实现7纳米及以下制程工艺的核心技术。但传统的EUV光源依赖于大型同步辐射装置或高功率激光驱动等离子体系统，设备庞大、成本高昂，全球能够运行EUV光刻实验的研究机构屈指可数。德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的工程师团队近日取得了一项突破性进展：他们开发出了一种小型化的EUV光刻技术，将整个系统缩小到了桌面级规模。
EUV光刻技术的小型化路径
传统EUV光刻系统的核心困难在于，在13.5纳米波长附近产生足够功率的光源极为困难。目前最先进的高量产的EUV光刻机（荷兰ASML公司制造）采用激光驱动锡等离子体技术——用高功率二氧化碳激光轰击微米级的锡液滴，使其电离成高温等离子体，从而在13.5纳米波长处辐射出EUV光。整个光源系统的体积接近一辆大巴，造价超过1亿美元。
UT Austin团队采用了一种完全不同的技术路线。他们使用高次谐波产生（HHG）技术，将飞秒激光器发出的近红外激光脉冲聚焦到惰性气体介质中，利用激光电场驱动电子发生非线性振荡，从而辐射出覆盖极紫外波段的相干高次谐波。HHG技术的优势在于，其光源体积可以做得非常小——整套系统只需要一台商用飞秒激光器、一个气体靶室和一组真空光学元件，紧凑到可以放置在一张标准实验台上。
HHG在实验室中产生EUV光并非全新概念，此前的技术瓶颈在于产生的光子通量太低，无法满足光刻工艺所需的曝光剂量。UT Austin团队通过优化气体靶的设计、提高激光脉冲能量和改进谐波分离与聚焦光学系统，将HHG-EUV光源在13.5纳米波长处的光子通量提升了整整一个数量级，首次达到了可以支撑光刻实验的水平。
桌面级EUV光刻的实验验证
搭载了新型HHG-EUV光源的桌面级光刻系统在实验中展示了令人满意的光刻分辨率。研究团队使用该系统在标准光刻胶上成功制备出了线宽小于20纳米的图案，与传统大型EUV光刻系统的水平相当。虽然还无法与ASML最先进的高数值孔径EUV光刻机（可制造3纳米以下制程）相比，但20纳米的分辨率已经覆盖了大量科研和应用场景的需求。
更令人兴奋的是，研究团队还展示了这种桌面级EUV光刻系统与3D打印结合的潜力。传统的半导体制造基于平面光刻工艺，只能制造二维平面结构。将EUV光刻与3D打印技术结合，有可能实现在三维空间中的纳米级图案化加工——即在非平面的衬底表面或三维微结构体上直接制造纳米级电子器件。
为了验证这一想法，团队先将3D打印的微型聚合物支架放置在光刻机样品台上，然后在支架表面的EUV光路范围内完成了微米级图案的投影曝光。这初步证明了一个关键概念——桌面级EUV光源具有足够的能量密度和焦深，可以在非平面表面上完成光刻。这一发现为三维芯片堆叠和柔性电子器件的制造提供了新的技术路径。
对半导体研究与教育的影响
UT Austin桌面级EUV光刻系统的最大意义在于其可及性。传统的大型EUV光源不仅采购成本天文数字，运行维护也需要专门的洁净室环境和专业技术人员团队。一台桌面级EUV系统的建置成本仅相当于传统系统的百分之一左右，运行所需的电力、冷却和空间条件也大幅降低。
对于半导体研究领域而言，这一突破意味着更多的大学实验室和中小型研究机构可以独立开展EUV光刻相关的研究工作。目前全球只有极少数大型半导体研究联盟（如IMEC）和头部芯片制造商的实验室能够开展EUV光刻实验，这严重限制了新材料、新工艺和新器件架构的探索速度。桌面级EUV系统的出现将有望大幅扩展该领域的研发参与者基数。
与3D打印的结合还为半导体制造开辟了一条全新的微纳加工路径——通过3D打印构建包含微流道、悬空结构和柔性基底的三维微系统，再通过桌面级EUV光刻在关键区域完成高精度图案化，最终实现真正意义上的三维微电子系统制造。UT Austin团队表示，下一步的工作重点是进一步提升桌面级EUV系统的光子通量和稳定性，并探索其在三维微纳加工中的更多应用场景。
来源：3DPrint.com