极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography，简称 EUV 光刻或 EUVL）作为半导体制造领域的革命性技术，通过将曝光波长压缩至 13.5nm 的极紫外波段，突破了传统光刻技术的物理极限，成为 5nm 及以下先进工艺节点芯片量产的核心支撑。这项技术的研发横跨光学、机械、电子、材料等多个学科，自 20 世纪 80 年代启动以来，历经数十年技术迭代，最终实现商业化落地，深刻改变了全球高端半导体产业的格局。
一、极紫外光刻的技术本质与工作原理
极紫外光刻属于步进式投影曝光技术，其核心逻辑是利用极短波长的紫外光实现纳米级电路图案的高精度转移，其工作流程围绕 “光产生 – 光调控 – 图案成像” 三个关键环节展开。
从物理特性来看，13.5nm 波长的极紫外光无法穿透空气，且几乎被所有光学透明材料吸收，这决定了 EUV 光刻必须在真空环境中运行，且不能采用传统透射式光学系统，只能依赖反射镜实现光的传输与聚焦。其具体工作原理为：高功率激光脉冲轰击直径约 30μm 的熔融锡滴，使其蒸发形成电子温度达 10eV 的热等离子体，等离子体在电子离子复合过程中释放 13.5nm 的 EUV 光子；这些光子经椭球面反射镜收集后，通过多层膜反射镜进行 7 次反射实现光谱纯化；纯化后的 EUV 光照射到带有电路图案的反射掩模上，再经 14 组高精度投影反射镜聚焦，最终将图案成像到涂有光刻胶的硅片表面，完成电路图形的转移。
与深紫外（DUV）光刻相比，EUV 光刻的突破在于从根本上解决了衍射极限问题。DUV 光刻依赖 193nm 波长光源，在 7nm 及以下节点需通过多重曝光技术叠加成像，而 EUV 凭借 13.5nm 的短波优势，可直接实现单次曝光成像，大幅简化了工艺流程。
二、极紫外光刻的四大核心技术系统
EUV 光刻系统的复杂度远超传统光刻设备，其性能由光源、光学系统、掩模和光刻胶四大核心技术模块共同决定，每个模块都代表了相关领域的技术巅峰。
（一）极紫外光源系统
光源是 EUV 光刻的 “心脏”，主要由光产生、光收集和光谱纯化三部分组成。目前商业化 EUV 设备均采用激光等离子体光源（LPP）方案，该方案通过二氧化碳激光器激励锡靶产生等离子体，具有光源尺寸小、粒子污染少、光收集效率高的优势，但存在输出功率低、设备成本高的短板。
光收集环节采用的椭球面反射镜已达到 5sr 的理论极限收集角，反射效率提升至 55%（理论极限 70%）；光谱纯化依赖 Mo/Si 多层膜反射镜，每层厚度约 7nm，共 40 层左右堆叠，可实现近 70% 的峰值反射率，确保最终输出 13.5nm 的单色光。ASML 的 NXE:3600D 机型已将光源功率提升至实用水平，支撑每小时 170 片晶圆的处理效率。
（二）全反射式光学系统
EUV 光学系统由照明系统和投影系统组成，全部采用反射式设计，核心挑战在于减少反射损耗并保证超高对准精度。由于单块 Mo/Si 多层膜反射镜的正入射反射率仅为 70% 左右，光学系统必须尽可能减少反射镜数量，同时确保每块反射镜的表面镀膜精度达到 0.1nm（原子尺度）。
以 ASML 的 EUV 设备为例，其光学系统集成 14 组高精度反射镜，通过实时调整反射镜角度，可将曝光精度控制在 ±1nm 范围内。这种高精度调控能力是实现纳米级电路图案还原的关键，也是 EUV 设备机械加工与控制技术的集中体现。
（三）极紫外掩模系统
EUV 掩模采用 “石英衬底 + 金属铬层 + 感光胶层” 的复合结构，由于 EUV 光无法穿透衬底，传统透射式掩模不再适用，必须采用反射式设计。掩模表面的吸收层通过调节光学参数（折射率 n、消光系数 k、厚度 d），使反射光形成 180° 相位差，在图形边缘产生相消干涉，从而增强成像分辨率。
为保护掩模表面免受污染物影响，掩模需配备保护膜（Pellicle）。传统硅基保护膜存在透光率与耐热性不足的问题，韩国石墨烯实验室开发的石墨烯保护膜凭借更高的硬度、透光率和耐热性，可有效降低曝光误判，提升芯片良率。掩模的缺陷控制极为严苛，哪怕 1nm 的微小瑕疵都可能导致整个晶圆报废，因此掩模制造需要达到亚纳米级的表面平整度。
（四）极紫外光刻胶技术
EUV 光刻胶是图案转移的 “中介”，由成膜树脂、感光剂、溶剂及助剂组成，其性能直接影响图案分辨率与刻蚀耐受性。与 DUV 光刻胶不同，EUV 光刻胶采用化学增强型材料（CAR），但由于 EUV 光能量极高，基质材料对光的吸收贡献最大，而感光剂（PAG）的能量吸收效率相对较低，这对光刻胶的灵敏度与分辨率平衡提出了更高要求。
理想的 EUV 光刻胶需同时满足 “高分辨率（支持 3nm 及以下节点）、高灵敏度（匹配光源功率）、高抗刻蚀性（承受后续工艺冲击）” 三大特性。目前主流光刻胶通过优化树脂分子结构与感光剂配比，已能实现 5nm 节点的稳定成像，但其研发周期长达 5-8 年，技术壁垒极高。
三、极紫外光刻的产业应用与技术价值
自 2019 年实现商业化应用以来，EUV 光刻已成为先进半导体制造的 “刚需” 技术，其应用价值集中体现在工艺简化、良率提升和性能突破三个维度。
在工艺应用方面，EUV 光刻已成为 5nm、3nm 节点芯片量产的唯一选择。台积电在 5nm 节点中全面采用 EUV 光刻，用于接触层、通孔层、金属线和切割层的图案形成，使最小金属间距较 7nm 节点减少 30%；三星则在 3nm GAA（全环绕栅极）制程中应用 EUV 技术，精准控制 3nm 栅极尺寸，实现晶体管性能的跨越式提升。截至 2023 年，ASML 是全球唯一能生产商用 EUV 光刻机的企业，其设备主要供应台积电、三星等头部晶圆制造企业。
从产业效益来看，EUV 光刻显著降低了先进制程的制造成本。采用 DUV 光刻制造 7nm 芯片需多次叠加曝光，工序复杂且良率仅 80%；而 EUV 光刻实现单次曝光成像，使 5nm 节点工序减少 40%，良率提升至 95%，单颗芯片成本降低 30%。同时，EUV 技术推动了芯片性能的突破，5nm 芯片的晶体管密度可达 1.7 亿个 /mm²，较 7nm 芯片提升 60%，性能提升 20% 且功耗降低 30%，为高端智能手机 SoC 和 AI 加速芯片提供了核心支撑。
四、极紫外光刻的技术挑战与产业格局
尽管 EUV 光刻已实现商业化落地，但仍面临诸多技术挑战，同时形成了高度集中的产业生态。
在技术层面，EUV 光刻的核心挑战包括三个方面：一是光源效率偏低，目前 LPP 光源的输出功率仍有限制，直接影响设备吞吐量；二是光学系统精度要求极致，14 组反射镜的协同控制需要亚纳米级的定位精度，任何微小偏差都会导致成像缺陷；三是掩模与光刻胶的匹配性问题，掩模缺陷检测与修复技术尚不完善，光刻胶的灵敏度与分辨率平衡仍有优化空间。
在产业格局上，EUV 光刻形成了 “技术垄断 + 生态协同” 的特点。ASML 通过整合全球供应链资源，构建了包含蔡司（反射镜）、Cymer（光源）、应用材料（检测设备）等核心供应商的生态体系，形成了难以替代的技术壁垒。2025 年 4 月，中科院上海光机所在 LPP-EUV 光源技术上取得重要突破，标志着我国在 EUV 核心技术领域实现了关键进展，但整体系统集成能力仍需长期积累。
结语
极紫外光刻技术的突破不仅是半导体制造领域的里程碑事件，更是多学科交叉创新的典范。其通过 13.5nm 短波光源实现的纳米级成像能力，彻底打破了先进制程的发展瓶颈，支撑了 5nm 及以下节点芯片的量产。尽管面临成本高昂、技术复杂等挑战，但 EUV 光刻已成为高端半导体制造的核心装备，其技术体系的不断完善将持续推动芯片集成度与性能的提升，为电子制造产业的发展奠定坚实基础。
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