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光刻技術(shù)在很大程度上推動(dòng)了晶體管的微型化。

近年來，半導(dǎo)體行業(yè)對EUV光刻技術(shù)及其前身給予了高度關(guān)注。在本文中，筆者將用相對簡單的術(shù)語解釋EUV的工作原理。本文將探討ASML設(shè)備的用途、ASMLEUV設(shè)備的獨(dú)特之處，以及它們未來將如何不斷改進(jìn)。

芯片制造中的光刻機(jī)

ASML的機(jī)器無法獨(dú)立生產(chǎn)芯片。芯片工廠擁有龐大的機(jī)器群，每臺機(jī)器都有各自的用途。ASML的機(jī)器“僅僅”用于芯片生產(chǎn)過程的一部分。在這個(gè)過程中，數(shù)十億個(gè)小開關(guān)被寫入“晶圓”上，然后相互連接。這些開關(guān)被稱為晶體管，有兩種狀態(tài)：開和關(guān)。計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)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(jī)。這些設(shè)備用于將芯片的實(shí)際設(shè)計(jì)“打印”到晶圓上；晶圓是一種硅片，可以作為芯片的基礎(chǔ)。硅是一種半導(dǎo)體，這意味著它既可以傳導(dǎo)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(guān)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(jī)器上就能開始生產(chǎn)芯片。光刻被視為這一工藝中最重要的步驟之一，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬蠜Q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(jī)，如何工作？

利用光刻技術(shù)，芯片的設(shè)計(jì)會(huì)被寫入晶圓上，但具體怎么做呢？機(jī)器利用光來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但光本身無法處理晶圓，因?yàn)榫A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(shè)計(jì)先寫入其中，然后用其他機(jī)器（并非ASML的設(shè)備）將圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上。

光刻機(jī)由三個(gè)主要部分組成：光源、掩模版和光學(xué)元件。光源通常是激光器，它產(chǎn)生特定波長的聚焦光。你可以把掩模版想象成一種藍(lán)圖：芯片設(shè)計(jì)的一部分印在上面。光學(xué)元件聚焦芯片設(shè)計(jì)，由一種透鏡組成。

該機(jī)器的工作原理如下：光源產(chǎn)生光線，然后將其射入機(jī)器內(nèi)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(xué)元件減弱并聚焦，最終落在感光光刻膠上。

當(dāng)帶有芯片圖案的光線照射到光刻膠上時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。部分光刻膠會(huì)變軟，然后用“顯影劑”沖洗掉，之后圖案便會(huì)永久地保留在光刻膠中。之后，晶圓便可以進(jìn)行后續(xù)的生產(chǎn)工序。這個(gè)過程要重復(fù)數(shù)十次。每輪都會(huì)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。現(xiàn)代芯片的層數(shù)可達(dá)上百層。因此，一塊晶圓的制作過程可能需要長達(dá)三個(gè)月的時(shí)間。

轉(zhuǎn)向EUV光刻的必要性

光刻技術(shù)在很大程度上推動(dòng)了晶體管的微型化。這種機(jī)器的最大“分辨率”由所謂的“瑞利準(zhǔn)則”決定，該準(zhǔn)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(jī)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(shí)現(xiàn)。光刻機(jī)不是一次性將芯片設(shè)計(jì)圖印到晶圓層上，而是分部分進(jìn)行。然后，晶圓上的同一層會(huì)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(shí)也會(huì)大大延長芯片的生產(chǎn)時(shí)間。它還會(huì)增加印刷錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)：如果芯片的不同部件不能完全貼合，就會(huì)導(dǎo)致芯片性能下降甚至完全無法工作。理想情況下，應(yīng)該避免多重圖案化。

因此，在經(jīng)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(shù)。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(jī)器使用的193nm光源相比，這是一個(gè)巨大的進(jìn)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(jī)并無二致：它由光源、掩模版和光學(xué)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(jìn)行大幅修改。

產(chǎn)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(guān)。例如，這導(dǎo)致EUV光幾乎會(huì)被所有物質(zhì)吸收，包括空氣。這意味著EUV光刻機(jī)內(nèi)部必須保持真空，這與以前的光刻機(jī)不同。

然后，必須在機(jī)器內(nèi)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(qiáng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生錫等離子體。該等離子體會(huì)發(fā)射波長為13.5nm的EUV光。

然而，不可能將一大塊錫放入機(jī)器并發(fā)射出去，因?yàn)檫@會(huì)在機(jī)器內(nèi)部造成很大的混亂。相反，研究人員會(huì)將非常小的錫滴以接近每小時(shí)250公里的速度射入EUV機(jī)器。每個(gè)錫滴在飛過機(jī)器的過程中都會(huì)被激光照射兩次。第一束激光功率較低，會(huì)將錫滴壓扁。這為錫滴做好了準(zhǔn)備，以便30千瓦的激光直接照射錫滴，從而產(chǎn)生錫等離子體。這同時(shí)也會(huì)釋放出EUV光，并通過鏡子將其送入機(jī)器。

此時(shí)，會(huì)釋放少量EUV光。然而，為了實(shí)現(xiàn)芯片的盈利生產(chǎn)，一滴EUV光是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一次照射到晶圓上的光越多，芯片設(shè)計(jì)的打印速度就越快，芯片的可用時(shí)間也就越快。在這種情況下，時(shí)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(jìn)一步提高這一速度，以繼續(xù)滿足芯片制造商對生產(chǎn)速度的要求。

EUV的光學(xué)系統(tǒng)：用鏡子代替透鏡

波長較短也意味著光學(xué)系統(tǒng)必須徹底改造。畢竟，EUV光會(huì)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(xué)系統(tǒng)。兩家公司聯(lián)合開發(fā)了一種光學(xué)系統(tǒng)，可以反射盡可能多的EUV光，而不會(huì)損失太多光線。這些鏡片由交替的硅和鉬層構(gòu)成，然后經(jīng)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(chǎn)生的EUV光盡可能多地到達(dá)晶圓上。即便如此，每面鏡子上仍有30%的EUV光會(huì)損失。經(jīng)過十面鏡子，加上一個(gè)帶有芯片設(shè)計(jì)的反射掩模版，最終只有一小部分光真正到達(dá)晶圓上。這也是為什么為了以足夠的速率生產(chǎn)芯片，每秒必須蒸發(fā)數(shù)萬個(gè)錫滴的原因之一。

EUV的運(yùn)營和未來

所有這些組件共同構(gòu)成了芯片。這與之前的光刻機(jī)基本相同。光源通過蒸發(fā)錫滴產(chǎn)生極紫外光(EUV)。該光經(jīng)機(jī)器反射，通過反射鏡反射。反射鏡逐漸匯聚并聚焦光線，同時(shí)芯片設(shè)計(jì)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(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，經(jīng)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(shù)來開發(fā)更先進(jìn)的芯片制造工藝。臺積電率先采用EUV技術(shù)，隨后是三星、英特爾，以及內(nèi)存制造商美光和SK海力士。隨著工藝的日益先進(jìn)，EUV的使用也日益增多。例如，臺積電首個(gè)采用EUV的工藝——N7+，最初僅在最底層四層使用了EUV設(shè)備。據(jù)估計(jì)，臺積電目前已在其N3B節(jié)點(diǎn)將這一數(shù)字提升至二十層以上。

與此同時(shí)，費(fèi)爾德霍芬（Veldhoven）的EUV改進(jìn)工作仍在繼續(xù)。下一代EUV將于今年投入生產(chǎn)。這些所謂的高數(shù)值孔徑EUV機(jī)器將使用相同的13.5納米波長，但光學(xué)系統(tǒng)將得到改進(jìn)，數(shù)值孔徑更大。更高的數(shù)值孔徑確保光學(xué)系統(tǒng)能夠捕獲和聚焦更多光線，從而實(shí)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(jī)器那樣進(jìn)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(dá)晶圓，從而提高產(chǎn)量。與此同時(shí)，他們正在研究能否通過引入超數(shù)值孔徑(Hyper-NA)來進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑。雖然目前尚不確定是否會(huì)引入超數(shù)值孔徑，但ASML前首席技術(shù)官M(fèi)artinvandenBrink在接受Tweakers采訪時(shí)對超數(shù)值孔徑表示樂觀。

*聲明：本文系原作者創(chuàng)作。文章內(nèi)容系其個(gè)人觀點(diǎn)，我方轉(zhuǎn)載僅為分享與討論，不代表我方贊成或認(rèn)同，如有異議，請聯(lián)系后臺。

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