EUV光刻机共有三大核心技术，分别为EUV光源系统，高精度弧形离轴反射镜构成的光学系统以及超高精度真空双工件台。其中EUV光学系统就像科幻世界中的虫洞那样，这边是碳基人类的物理世界，那一边则连接着硅基微观赛博世界。
因为几乎所有材料对13.5nm的EUV都强烈吸收，故EUV光刻机不能采用DUV那样的透镜，只能采用反射式光学系统。又因为EUV波长与晶格参数接近，很容易发生衍射，反射率也很低，最终的光学反射方案是基于布拉格定律，采用多层镀膜的钼-硅的分布式布拉格反射镜。作为人类最精密最昂贵的仪器，EUV光刻机的基本光学理论来自120多年的一场普通父爱。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴在进行阴极射线的实验时，观察到放在射线管附近涂有氰亚铂酸钡的屏上发出的微光，他确信这是一种尚未为人所知的新射线，即X射线，伦琴因此获得首届诺贝尔物理学奖。欧洲大陆彼岸的英国，5岁的小布拉格从三轮车上摔下而肘部骨折。老布拉格焦虑万分，第一时间了解到伦琴用X射线看到了自己的骨骼后，爱子心切的老父亲布拉格赶紧自己搭建了一台X射线设备，以观测孩子的恢复情况。
这一年，未来中国的光学开拓者和奠基人王大珩出生于动荡的晚清末年。以“扶清灭洋”为口号的义和团运动在中国北方部分地区达到高潮，到了1900年庚子年，西方列强以清政府“联拳抗洋”为借口，组成八国联军侵华，强迫清政府签订了《辛丑条约》，清政府拿出相当于12年的财政收入约4.5亿两白银作为庚子赔款。
欧洲自然还是岁月静好，科学发展日新月异。因为X射线成功辅助儿子的骨折治疗，老布拉格于是从等离子体转向对X射线的研究，而小布拉格也天赋异禀，15岁就进入剑桥大学学习。在1912年，父子合作给出了德国物理学家冯·劳厄刚发现的晶体X射线衍射现象的理论解释，并测定了钻石的晶体结构，而共同获得1915年诺贝尔物理学奖。
而当时贫弱的中国内忧外患。1938年，抗日战争全面爆发的次年，清华大学核物理专业的王大珩，通过了英国庚子赔款留学招考，赴英攻读光学。第二次世界大战导致光学玻璃需求增长10倍，于是他开始光学玻璃的工程化研究。直到某个寻常的日子，留学法国的清华老同学，中国原子弹之父钱三强前来探望。通过钱三强了解到国内形势后，王大珩知道，是时候回家了！
应用光学在新中国几乎一片空白，1952年，王大珩受命筹建新中国的“光学摇篮”——中国科学院仪器馆，即中科院长春光学精密机械与物理研究所的前身。1954年，中国第一炉光学玻璃在长春光机所出炉，这意味着中国从此具备了生产研究各种精密仪器最关键材料的生产能力。
回到巴拉格定律，布拉格父子认为晶体中由点阵格点组成的一系列平行的晶面会多次反射X射线，其入射的X射线的波长和晶面间距的比值可用一个简单公式中的入射角来算出。布拉格定律如此简单、真实地描述了x射线在晶体中的衍射现象，从而在晶体物理研究领域中起着不可替代、无可估量的作用。
这个定律的重要意义不在于其本身，而在于它的光辉未来!此时的小布拉格年仅25岁，前途无量，日后担任了著名的卡文迪许实验室的主任，并牵头成立X射线测定生物大分子结构的分子生物学实验室，此实验室后来发现了DNA的双螺旋结果，分子生物学进入了一个全新的时代。
所以，100多年后的今天，我们可以说布拉格定律打开了两扇微观世界的大门，一扇是硅基芯片世界，代表了人类对创造未来科技的不断探索。另一扇是碳基生物世界，代表了人类对生命本源的不懈求索。
基于巴拉格定律的直接催生了各种实用化产品：电介质反射镜采用薄膜涂层技术，例如采用电子束蒸镀或者离子束溅射技术，它可以用作固态体激光器的激光反射镜。光纤布拉格光栅，包括长周期光纤光栅，通常用于光纤激光器和其它光纤装置中。半导体布拉格反射镜可用在激光二极管中，尤其是表面发射激光器中。还有用在波导结构中的各种布拉格反射器，多层反射镜经过优化可作为二色性反射镜或者啁啾反射镜用于色散补偿。
而EUV光学系统中的分布式布拉格反射镜是由两种光学材料组成的可调节的多层结构，其中每一层的厚度都对应EUV的四分之一的波长。在两种材料的每个界面处都发生菲涅尔反射，两个相邻界面处反射光的光程差为半个波长，因此在界面处的所有反射光发生相消干涉，得到了增强的反射。反射率是由材料的层数和材料之间的折射率差决定的，反射带宽则主要由折射率差决定。通过设计不同反射介质的组合，可以单独加强针对某一波段的光线的反射率，起到光谱纯化效果。
ASML的EUV光学系统由蔡司负责总体设计和集成，而其中反射镜的多层镀膜由德国弗劳恩霍夫光机所完成。
13.5纳米的EUV反射镀膜技术最早是在1972年由IBM的艾伯哈德·斯皮勒提出。1998年，德国弗劳恩霍夫光机所开始搭建了第一套EUV镀膜机。1999年4月，弗劳恩霍夫光机的EUV反射膜首次在德国联邦物理技术局完成了反射率测试，获得56%的反射率。到了2000年底，EUV反射膜的反射率已经达到67.5%。
2004年，弗劳恩霍夫光机所完成了高温反射镜的研发工作，它将EUV反射膜在高温600度-1000度的稳定性大幅提升，以适应高功率EUV辐射产生的高温工况。2005年，弗劳恩霍夫光机又开发了EUV反射膜的保护层。采用优化的保护层，EUV多层膜稳定性获得大幅度提升。2007年，首个用于高功率EUV光源收集镜的多层反射膜镀膜完成，它的反射率高达65%，直径大于660毫米。它的重量高达45公斤，因此需要有2个工作人员合力抬起来拍下了这张非常著名的EUV反射收集镜的照片。
而整个EUV光学系统，由透射材料变为单面反射材料，此时材料透射特性不再影响系统，但仍需考虑材料特性对面型、热膨胀系数等的影响。然后，像方数值孔径至少要做到0.2，现阶段ASMLEUV数值孔径为0.33，下一代将达到0.55，像方尺寸为约2*28mm弧形区域，像质为衍射极限以内；ASMLEUV光学系统使用6片反射式镜组，虽设计时虚拟光轴共轴，但实际应用及装配时都在离轴状态；6片反射面均为非球面，最大口径大于150mm，且随着NA提高，镜片口径必然同步增大；EUV的离轴反射系统有它更独特的难点。离轴高精度非球面加工难度极大，通常轴对称加工完成后再磨外缘到离轴镜片状态，这种方法可保证加工和测试精度。显然，离轴非球面系统装配难度也远大于DUV共轴透镜，DUV轴对称系统有比较好的量测设备支持定心安装。但过渡到离轴非球面装配时，由于顶点位置已经失去，定心会非常困难，而该EUV系统物理总长将近1.3m，定心不准导致的离轴偏心误差的影响会非常显著。
因为离轴非球面的布局导致镜片遮挡，可用的视场相当受限而显得格外珍贵，而采用弧形视场可以最大限度的利用有限的通光孔径，提高数值孔径。我们知道高数值孔径EUV光刻机对于更高分辨率至关重要，可实现更小的晶体管、更高的晶体管密度，以及更高的生产率。相对于DUV浸没式光刻的多次曝光工艺，0.33NA的EUV曝光系统将掩模版数量降低大约40%，光刻步骤降低了大约30%。因而大幅降低了光刻缺陷、成本和制造时间。据实测数据，对于相同工艺，EUV曝光光学不仅曝光精度更高，并且曝光缺陷降低高达20%。ASML提前10年就已经研发的0.55NA光刻机，曝光分辨率比0.33NA系统提升1.7倍，晶体管密度提升2.9倍。而0.55NA的EUV光刻机将进一步降低光刻掩模版数量和制程步骤：其掩模版数量比0.33NA系统降低40%，制程步骤比0.33NA系统降低30%。生产效率方面，数值孔径055的TWINSCANEXE:5200的生产率超过每小时200片晶圆，相比之下，0.33NATWINSCANNXE:3600D的吞吐量为160片晶圆/小时。
我们知道EUV光学系统对光源的传送效率极低，光源朝4pi立体角发射，即使卡塞格伦反射收集镜做得很大，也就最多收集一半的光，每次反射镜都会损失三成的光线，光能被转化为热能，使得镜片升温到600-1000度，必须给整个光学系统配备强力散热装置，最终只有不到5%的光线被传送到晶圆。
EUV光刻机为了实现芯片制程的进步，除了不断提高EUV光源功率外，还要发展更高的光学数值孔径，而高NA依赖于前所未有的镜片精度。这些EUV反射镜片的制造工艺相当复杂，镜片表面的光滑度要求变态到极致，0.33NA的镜面糙度达到惊人的0.05nm。如果把反射镜放大到中国国土这样大的面积，那么整个国土最大的凸起和下凹高度不会超过0.4毫米。而2015年蔡司便开始研发下一代0.55NA光学系统，这是0.55NA的光学系统物镜中最大的一块：直径1米，精度更是达到0.02nm。
德国卡尔蔡司半导体部门（CarlZeissSMT）使用德国奥美特（ALZMETALL）GS-1400立式五轴摇篮机床加工下一代ASML光刻机（HighNA：数值孔径：0.55）EXE:5000的镜头：结合德国卡尔蔡司自研的离子束+磁流变抛光机床进行精磨抛光
中国的光学领域的龙头老大是中科院长春光学精密机械和物理研究所。
这是王大珩创办长春关机所以来心血的结晶，同时还培养了一批富有朝气的青年科技队伍，奠定了中国光学科研的基础。1961年中国第一台激光器在这里诞生，3年后，中国第一个激光专业研究所上海光机所成立，他兼第一任所长，组织并指导了激光科研的深入开展。
发射镜光学方面，长春光机所仰望星空方面，经过20年刻苦攻关，完成了世界最大口径碳化硅非球面反射镜的高精度全链路集成制造，攻克了大口径碳化硅镜坯制备、加工工艺、检测方法、改性镀膜等核心关键技术，突破了高结构刚度复杂曲面碳化硅光学反射镜先进制造技术。
所以EUV光刻机的高精度弧形离轴反射镜系统，长春光机所义不容辞挑起了大梁。
早在2002年，长春光机所研制国内第一套EUV光刻原理验证装置。2015年，中国的长春光机所就已经研发出了EUV光刻机的高精度弧形反射镜系统，多层层镀膜面形误差小于0.1nm，波像差优于0.85nmRMS，达到了EUV级光刻机的标准。不过镀膜装置来自德国弗劳恩霍夫光机，被禁售无法投产。
2016年11月15日，由长春光机所牵头承担的国家科技重大专项02专项——“极紫外光刻关键技术研究”项目顺利完成验收前现场测试。在长春光机所、成都光电所、上海光机所、中科院微电子所、北京理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等参研单位的共同努力下，历经八年的戮力攻坚，初步建立了适应于极紫外光刻曝光光学系统研制的加工、检测、镀膜和系统集成平台，为我国光刻技术的可持续发展奠定了坚实的基础。
在02专项任务牵引下，长春光机所在EUV光学系统协同设计、膜厚控制精度达原子量级的EUV多层膜技术、深亚纳米量级的超光滑非球面加工与检测技术、超高精度物镜系统波像差检测及集成技术等方面，突破了一系列EUVL程化关键技术瓶颈；成功研制了小视场EUVL曝光光学系统，投影物镜波像差优于0.75nm(RMS)，构建了EUVL静态曝光装置，获得32nm线宽的光刻胶曝光图形；建立了EUVL关键技术验证及工艺测试平台；低缺陷氮化铝材料制备关键技术及其深紫外光电器件；TDICMOS图像传感器综合性能评测技术，这是EUV光刻机上图像成像的必备技术。还有，复杂曲面光学元件高精度磁流变抛光技术和超高精度光刻机投影物镜系统波像差检测技术。再有，EUV光刻机多层膜光学元件表面污染防控及无损清洗关键技术。
2021年6月28日，中科院旗下的中科科美成功研发出镀膜精度控制在0.1nm以内的直线式劳埃透镜镀膜装置及纳米聚焦镜镀膜装置，距离ASML现有EUV的反射镜镀膜精度0.05纳米以内的水准已经十分接近，满足了长春光机所对反射镜面镀膜的需求。中科科美研发的镀膜装置送到长春光机所后，我国立刻制造出了EUV级光刻机级别的高精度弧形反射镜系统。2021年9月结题的《六镜极紫外光刻投影物镜研发与验证》证实我国突破了高精度弧形反射镜系统。
而反射镜镜面加工方面，据中国机床行业报道,北京博鲁斯潘与长春光机所国望光学团队合作研发的光刻机物镜系统超精密磨床ULTR-700VG，于2021年5月18日通过国家机床质量监督检验检测中心检测。该超精密数控机床是高刚度的工程化实用产品，可以广泛应用于我国IC电路、光学工业、航空航天等精密超精密制造领域的批量化生产，超精密纳米光学零件首先要通过这类超精密装备的高效批量加工后，再通过等离子体局部抛光，才能达到纳米级的面形精度和亚纳米级表面粗糙度。
随着中国攻克EUV光源和高精度弧形离轴反射镜系统，EUV掩模成了一个新的挑战。
在DUV浸没式光刻技术的技术节点上，掩模制造已足够成熟，掩模缺陷的密度和尺寸都在可接受的水平。但是在EUV光刻系统中，由于反射率及掩模阴影效应的限制，掩模基板缺陷是影响光刻成像质量、进而导致良率损失的重要因素之一。
EUV掩膜版是整个光学系统的极为重要的一环，掩模版也是一块布拉格反射镜，不过结构更加复杂。EUV掩模版由衬底上的40到50层交替的硅和钼层组成，每层膜厚度约3.4纳米，形成250纳米到350纳米厚的多层堆叠，严格控制每层膜的厚度误差以避免EUV光的损耗。在最外侧有一层钌保护层防止膜氧化。然后在钌保护层之上再镀上50nm厚的吸收层，吸收层材料一般是氮化钽或氮硼化钽，随后在吸收层上采取电子束，放大实际芯片5倍来刻蚀芯片设计图。吸收层EUV光无法通过，只靠镜片反射的光来把图案投影到晶圆上。由于电路图一般非常复杂，一个完整的电路图需要十几到几十层光罩来回光刻，才能把电路图完全转移过去，由此可见掩膜的重要性，稍有差池则全盘皆输，掩模版也是仅次于硅片和电子特种气体的第三大半导体材料。
台积电自己能够生产极高质量的EUV掩膜，而前道领域高端国产掩膜则是长期处于缺位的状态。但是2020年以后，泉益光电和青岛芯恩作为新的独立掩膜提供商成长起来，中芯国际在经历了美国多轮禁运制裁后，也艰难实现了先进制程所需的高端掩膜的工艺研发并投入量产。除此之外，建厂达人张汝京博士也在嘉兴参与掩膜基板的研发和制造，为这种先进材料的国产化贡献力量。要知道，先进的前道掩膜基板供应商仅有日本豪雅、信越以及韩国的SST，相比12寸大硅片，掩膜基板的技术要求更高，垄断程度也更高。所以张汝京博士参与的掩膜基板项目的意义之重大，便可想而知。
另外流片前，EUV掩模版的检测十分重要，日本的Lasertec是全球唯一的EUV掩膜检测设备提供商。2017年，Lasertec可以检查空白EUV掩模内部缺陷。2019年9月，可以对印有芯片设计图的模板进行检测。其实检测的基本原理还是布拉格定律，基于高次谐波EUV光源照射掩模，无需透镜就可以实现EUV相干衍射扫描显微成像，通过分析成像实现对掩模版的检测。
中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心在极紫外光刻基板缺陷补偿方面取得进展。提出了一种基于遗传算法的改进型掩模吸收层图形的优化算法。该算法采用基于光刻图像归一化对数斜率和图形边缘误差为基础的评价函数，采用自适应编码和逐次逼近的修正策略，获得了更高的修正效率和补偿精度。算法的有效应性通过对比不同掩模基板缺陷的矩形接触孔修正前后的光刻空间像进行了测试和评估，结果表明，该方法能有效地抑制掩模基板缺陷的影响，提高光刻成像结果的保真度，并且具有较高的收敛效率和掩模可制造性。
6英寸EUV掩模极其昂贵，单块成本超过30万美元，尤其是大芯片的掩膜，没有EUV薄膜的保护是万万不能的，比如英伟达的H100AI芯片，800亿个晶体管，台积电采用4N工艺，需要多达89张掩膜，任何一次掩膜曝光缺陷都会直接影响良率。
EUV薄膜最早的研制者是ASML公司，经过努力，ASML公司于2014年成功研制出面积达106mm×139mm的多晶硅EUV薄膜，但是其厚度为70nm，EUV透过率最高为86%。2019年，多晶硅EUV薄膜的厚度做到了50nm，EUV透过率最高为88%。日本三井化学采用的是碳纳米管，EUV透过率高达97.7%！未来基于材料之王石墨烯的EUV薄膜也会登场，可以大幅度提升3nm及以下芯片的良率。
作为提高良率的重要措施，台积电更是高度重视EUV掩模的保护，一方面，该公司发明了一种“EUV掩模干洗技术”。与使用超纯水和化学品的传统湿法清洁工艺不同，该干法清洁技术可以快速去除污染物，并通过亚纳米分析技术精确定位污染源为止，大幅度减少污染物。另一方面，自2019年以来，台积电一直在其EUV量产线上大量使用自研的EUV薄膜，2021年，其EUV薄膜产能比2019年提高了20倍。
可见，EUV光学系统需要无比精细的控制光线，而EUV光学通路涉及的材料，在纳米尺度上提出了全新的要求，新材料研发极具挑战。
100多年前，布拉格开创的晶体X射线衍射理论，是强大的材料分析技术，能够测定晶体结构和物理特性。但布拉格定律只是一种近似理论，因为晶体中的原子实际上不是静止在晶格平衡位置上，而是围绕平衡位置作微振动，称为晶格振动。1913年，量子力学奠基人波恩发表了”关于晶格比热“的文章，引入晶格振动波理论，而声子就是表述晶格振动量子化的准粒子，不仅可以用来解释固体的热学性质，还与固体的弹性性质、介电性质、光学性质、电磁学性质、结构相变等各方面的物理性质密切相关，是研究凝聚态物理性质的基础。
我国在材料基础理论方面，世界著名的物理学家黄昆院士让人肃然起敬。1954年，黄昆在英国期间与玻恩合著有”晶格动力学“一书，是一部有世界影响的经典科学专著。
他从理论上预言了与晶格中杂质有关的X光漫散射，即“黄散射”，“黄散射”已发展成为一种直接研究固体中微观缺陷的有效手段。他的多声子跃迁理论，以“黄一里斯因子”而著称于世。
他提出关于描述晶体中光学位移、宏观电场与电极化三者关系的“黄方程”和由此引申的电磁波与晶格振动的耦合，即后来称为极化元的重要概念。黄昆1977-1983年任中国科学院半导体研究所所长，2001年度国家最高科学技术奖获奖人。
北京大学量子材料科学中心在Nature发表了论文，基于扫描透射电子显微镜发展了四维电子能量损失谱技术，突破了传统谱学手段难以在纳米尺度表征晶格动力学的局限，首次实现了半导体异质结界面处局域声子模式的测量，近日更是被《半导体学报》列为2021年度中国半导体十大研究进展。大部分材料中声子的结构决定了其热容、热传输等行为，因此热电材料、热管理材料主要就是利用缺陷工程来调控声子结构；极性材料中声子与光的耦合作用能够会产生声子极化激元，基于该作用能够实现对光的操纵、光芯片的设计等；
EUV光学系统的研发是一个庞大的原始创新工程，需要光学、数学、物理学、微电子学、材料学与精密机械以及控制等多学科交叉的、大纵深的开创性研究。
还是那句话：尊重规律，保持敬畏，充满信心，黎明一定会到来。
