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光刻技術在很大程度上推動了晶體管的微型化。
近年來，半導體行業(yè)對EUV光刻技術及其前身給予了高度關注。在本文中，筆者將用相對簡單的術語解釋EUV的工作原理。本文將探討ASML設備的用途、ASMLEUV設備的獨特之處，以及它們未來將如何不斷改進。
芯片制造中的光刻機
ASML的機器無法獨立生產芯片。芯片工廠擁有龐大的機器群，每臺機器都有各自的用途。ASML的機器“僅僅”用于芯片生產過程的一部分。在這個過程中，數(shù)十億個小開關被寫入“晶圓”上，然后相互連接。這些開關被稱為晶體管，有兩種狀態(tài)：開和關。計算機或智能手機將這兩種狀態(tài)理解為“0”和“1”。簡而言之：芯片中的晶體管越多，速度就越快。
ASML主要專注于制造光刻機。這些設備用于將芯片的實際設計“打印”到晶圓上；晶圓是一種硅片，可以作為芯片的基礎。硅是一種半導體，這意味著它既可以傳導電流，也可以阻斷電流，這取決于你對它施加的影響。這對需要不斷開關的晶體管非常有利。
所以，這并不意味著你只要把插頭插到ASML的機器上就能開始生產芯片。光刻被視為這一工藝中最重要的步驟之一，因為它在很大程度上決定了晶體管的尺寸。晶體管越小，芯片中能容納的晶體管就越多，同樣，粗略地說，晶體管越多也意味著芯片速度越快。
“普通”光刻機，如何工作？
利用光刻技術，芯片的設計會被寫入晶圓上，但具體怎么做呢？機器利用光來實現(xiàn)這一點。但光本身無法處理晶圓，因為晶圓太硬了。因此，首先要在晶圓上涂一層感光層：所謂的光刻膠。芯片設計先寫入其中，然后用其他機器（并非ASML的設備）將圖案轉移到晶圓上。
光刻機由三個主要部分組成：光源、掩模版和光學元件。光源通常是激光器，它產生特定波長的聚焦光。你可以把掩模版想象成一種藍圖：芯片設計的一部分印在上面。光學元件聚焦芯片設計，由一種透鏡組成。
該機器的工作原理如下：光源產生光線，然后將其射入機器內部。光線穿過掩模版，使芯片圖案以陰影的形式落入掩模版中。隨后，光線被光學元件減弱并聚焦，最終落在感光光刻膠上。
當帶有芯片圖案的光線照射到光刻膠上時，會發(fā)生化學反應。部分光刻膠會變軟，然后用“顯影劑”沖洗掉，之后圖案便會永久地保留在光刻膠中。之后，晶圓便可以進行后續(xù)的生產工序。這個過程要重復數(shù)十次。每輪都會在晶圓上添加一層：首先是晶體管，然后是連接晶體管的金屬層?，F(xiàn)代芯片的層數(shù)可達上百層。因此，一塊晶圓的制作過程可能需要長達三個月的時間。
轉向EUV光刻的必要性
光刻技術在很大程度上推動了晶體管的微型化。這種機器的最大“分辨率”由所謂的“瑞利準則”決定，該準則表明單次“曝光”可以將晶體管制成多小的尺寸。這部分取決于光的波長：波長越短，晶體管可以做得越小。
光刻機還可以制造小于“分辨率”規(guī)定的晶體管。這通過一種稱為“多重曝光”的工藝實現(xiàn)。光刻機不是一次性將芯片設計圖印到晶圓層上，而是分部分進行。然后，晶圓上的同一層會被曝光兩次或更多次。
多重圖案化在分辨率方面有優(yōu)勢，但同時也會大大延長芯片的生產時間。它還會增加印刷錯誤的風險：如果芯片的不同部件不能完全貼合，就會導致芯片性能下降甚至完全無法工作。理想情況下，應該避免多重圖案化。
因此，在經歷了漫長而充滿挑戰(zhàn)的開發(fā)期后，ASML在2018年左右推出了EUV光刻技術。EUV代表極紫外光，是所使用的光的類型。EUV的波長為13.5nm，與之前機器使用的193nm光源相比，這是一個巨大的進步。
切換到EUV光也顯著提高了分辨率。這使得芯片制造商無需借助多重曝光等技巧，就能將晶體管做得更小。然而，EUV光也帶來了必要的挑戰(zhàn)。EUV的基本原理與“普通”光刻機并無二致：它由光源、掩模版和光學元件組成。然而，為了使所有這些組件都能在EUV光下工作，所有這些組件都必須進行大幅修改。
產生EUV光：用激光射擊飛出的錫滴
這些挑戰(zhàn)都與13.5納米的較短波長有關。例如，這導致EUV光幾乎會被所有物質吸收，包括空氣。這意味著EUV光刻機內部必須保持真空，這與以前的光刻機不同。
然后，必須在機器內部生成EUV光。為此，有很多選擇，但ASML選擇使用功率接近30kW的強大激光器發(fā)射錫。舉例來說：5kW的激光器足以切割鋼材。發(fā)射錫時會產生錫等離子體。該等離子體會發(fā)射波長為13.5nm的EUV光。
然而，不可能將一大塊錫放入機器并發(fā)射出去，因為這會在機器內部造成很大的混亂。相反，研究人員會將非常小的錫滴以接近每小時250公里的速度射入EUV機器。每個錫滴在飛過機器的過程中都會被激光照射兩次。第一束激光功率較低，會將錫滴壓扁。這為錫滴做好了準備，以便30千瓦的激光直接照射錫滴，從而產生錫等離子體。這同時也會釋放出EUV光，并通過鏡子將其送入機器。
此時，會釋放少量EUV光。然而，為了實現(xiàn)芯片的盈利生產，一滴EUV光是遠遠不夠的。一次照射到晶圓上的光越多，芯片設計的打印速度就越快，芯片的可用時間也就越快。在這種情況下，時間就是金錢。為了使晶圓獲得足夠的光，需要以上述方式每秒發(fā)射5萬滴錫液。未來，ASML希望進一步提高這一速度，以繼續(xù)滿足芯片制造商對生產速度的要求。
EUV的光學系統(tǒng)：用鏡子代替透鏡
波長較短也意味著光學系統(tǒng)必須徹底改造。畢竟，EUV光會被玻璃吸收，普通的透鏡無法發(fā)揮作用。因此，ASML不得不采用反射光線的鏡子。但同樣，EUV光非常不穩(wěn)定，普通的鏡子無法滿足需求。
ASML正在與德國鏡頭制造商蔡司合作開發(fā)光學系統(tǒng)。兩家公司聯(lián)合開發(fā)了一種光學系統(tǒng)，可以反射盡可能多的EUV光，而不會損失太多光線。這些鏡片由交替的硅和鉬層構成，然后經過全面拋光并鍍膜。
所有這些確保了13.5納米的光能夠被盡可能高效地反射，從而使產生的EUV光盡可能多地到達晶圓上。即便如此，每面鏡子上仍有30%的EUV光會損失。經過十面鏡子，加上一個帶有芯片設計的反射掩模版，最終只有一小部分光真正到達晶圓上。這也是為什么為了以足夠的速率生產芯片，每秒必須蒸發(fā)數(shù)萬個錫滴的原因之一。
EUV的運營和未來
所有這些組件共同構成了芯片。這與之前的光刻機基本相同。光源通過蒸發(fā)錫滴產生極紫外光(EUV)。該光經機器反射，通過反射鏡反射。反射鏡逐漸匯聚并聚焦光線，同時芯片設計通過反射掩模版記錄在光線中。最后，光線以極高的精度照射到晶圓上。這個過程反復進行，經過數(shù)月的努力，芯片最終投入使用。
自2019年以來，芯片制造商一直積極使用EUV技術來開發(fā)更先進的芯片制造工藝。臺積電率先采用EUV技術，隨后是三星、英特爾，以及內存制造商美光和SK海力士。隨著工藝的日益先進，EUV的使用也日益增多。例如，臺積電首個采用EUV的工藝——N7+，最初僅在最底層四層使用了EUV設備。據(jù)估計，臺積電目前已在其N3B節(jié)點將這一數(shù)字提升至二十層以上。
與此同時，費爾德霍芬（Veldhoven）的EUV改進工作仍在繼續(xù)。下一代EUV將于今年投入生產。這些所謂的高數(shù)值孔徑EUV機器將使用相同的13.5納米波長，但光學系統(tǒng)將得到改進，數(shù)值孔徑更大。更高的數(shù)值孔徑確保光學系統(tǒng)能夠捕獲和聚焦更多光線，從而實現(xiàn)更高的分辨率。因此，高數(shù)值孔徑將能夠制造更小的晶體管，而無需像“普通”EUV機器那樣進行多重圖案化。
ASML也在致力于提高光源功率，以便讓更多光線到達晶圓，從而提高產量。與此同時，他們正在研究能否通過引入超數(shù)值孔徑(Hyper-NA)來進一步提高數(shù)值孔徑。雖然目前尚不確定是否會引入超數(shù)值孔徑，但ASML前首席技術官MartinvandenBrink在接受Tweakers采訪時對超數(shù)值孔徑表示樂觀。
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