EUV, 是如何工作的?

光刻技术在很大程度上推动了晶体管的微型化。

近年来，半导体行业对 EUV 光刻技术及其前身给予了高度关注。在本文中，笔者将用相对简单的术语解释 EUV 的工作原理。本文将探讨 ASML 设备的用途、ASML EUV 设备的独特之处，以及它们未来将如何不断改进。

芯片制造中的光刻机

ASML 的机器无法独立生产芯片。芯片工厂拥有庞大的机器群，每台机器都有各自的用途。ASML 的机器“仅仅”用于芯片生产过程的一部分。在这个过程中，数十亿个小开关被写入“晶圆”上，然后相互连接。这些开关被称为晶体管，有两种状态：开和关。计算机或智能手机将这两种状态理解为“0”和“1”。简而言之：芯片中的晶体管越多，速度就越快。

ASML 主要专注于制造光刻机。这些设备用于将芯片的实际设计“打印”到晶圆上；晶圆是一种硅片，可以作为芯片的基础。硅是一种半导体，这意味着它既可以传导电流，也可以阻断电流，这取决于你对它施加的影响。这对需要不断开关的晶体管非常有利。

所以，这并不意味着你只要把插头插到ASML的机器上就能开始生产芯片。光刻被视为这一工艺中最重要的步骤之一，因为它在很大程度上决定了晶体管的尺寸。晶体管越小，芯片中能容纳的晶体管就越多，同样，粗略地说，晶体管越多也意味着芯片速度越快。

“普通”光刻机，如何工作？

利用光刻技术，芯片的设计会被写入晶圆上，但具体怎么做呢？机器利用光来实现这一点。但光本身无法处理晶圆，因为晶圆太硬了。因此，首先要在晶圆上涂一层感光层：所谓的光刻胶。芯片设计先写入其中，然后用其他机器（并非 ASML 的设备）将图案转移到晶圆上。

光刻机由三个主要部分组成：光源、掩模版和光学元件。光源通常是激光器，它产生特定波长的聚焦光。你可以把掩模版想象成一种蓝图：芯片设计的一部分印在上面。光学元件聚焦芯片设计，由一种透镜组成。

该机器的工作原理如下：光源产生光线，然后将其射入机器内部。光线穿过掩模版，使芯片图案以阴影的形式落入掩模版中。随后，光线被光学元件减弱并聚焦，最终落在感光光刻胶上。

当带有芯片图案的光线照射到光刻胶上时，会发生化学反应。部分光刻胶会变软，然后用“显影剂”冲洗掉，之后图案便会永久地保留在光刻胶中。之后，晶圆便可以进行后续的生产工序。这个过程要重复数十次。每轮都会在晶圆上添加一层：首先是晶体管，然后是连接晶体管的金属层。现代芯片的层数可达上百层。因此，一块晶圆的制作过程可能需要长达三个月的时间。

转向 EUV 光刻的必要性

光刻技术在很大程度上推动了晶体管的微型化。这种机器的最大“分辨率”由所谓的“瑞利准则”决定，该准则表明单次“曝光”可以将晶体管制成多小的尺寸。这部分取决于光的波长：波长越短，晶体管可以做得越小。

光刻机还可以制造小于“分辨率”规定的晶体管。这通过一种称为“多重曝光”的工艺实现。光刻机不是一次性将芯片设计图印到晶圆层上，而是分部分进行。然后，晶圆上的同一层会被曝光两次或更多次。

多重图案化在分辨率方面有优势，但同时也会大大延长芯片的生产时间。它还会增加印刷错误的风险：如果芯片的不同部件不能完全贴合，就会导致芯片性能下降甚至完全无法工作。理想情况下，应该避免多重图案化。

因此，在经历了漫长而充满挑战的开发期后，ASML 在 2018 年左右推出了 EUV 光刻技术。EUV 代表极紫外光，是所使用的光的类型。EUV 的波长为 13.5nm，与之前机器使用的 193nm 光源相比，这是一个巨大的进步。

切换到EUV光也显著提高了分辨率。这使得芯片制造商无需借助多重曝光等技巧，就能将晶体管做得更小。然而，EUV光也带来了必要的挑战。EUV的基本原理与“普通”光刻机并无二致：它由光源、掩模版和光学元件组成。然而，为了使所有这些组件都能在EUV光下工作，所有这些组件都必须进行大幅修改。

产生 EUV 光：用激光射击飞出的锡滴

这些挑战都与13.5纳米的较短波长有关。例如，这导致EUV光几乎会被所有物质吸收，包括空气。这意味着EUV光刻机内部必须保持真空，这与以前的光刻机不同。

然后，必须在机器内部生成 EUV 光。为此，有很多选择，但 ASML 选择使用功率接近 30kW 的强大激光器发射锡。举例来说：5kW 的激光器足以切割钢材。发射锡时会产生锡等离子体。该等离子体会发射波长为 13.5nm 的 EUV 光。

然而，不可能将一大块锡放入机器并发射出去，因为这会在机器内部造成很大的混乱。相反，研究人员会将非常小的锡滴以接近每小时250公里的速度射入EUV机器。每个锡滴在飞过机器的过程中都会被激光照射两次。第一束激光功率较低，会将锡滴压扁。这为锡滴做好了准备，以便30千瓦的激光直接照射锡滴，从而产生锡等离子体。这同时也会释放出EUV光，并通过镜子将其送入机器。

此时，会释放少量EUV光。然而，为了实现芯片的盈利生产，一滴EUV光是远远不够的。一次照射到晶圆上的光越多，芯片设计的打印速度就越快，芯片的可用时间也就越快。在这种情况下，时间就是金钱。为了使晶圆获得足够的光，需要以上述方式每秒发射5万滴锡液。未来，ASML希望进一步提高这一速度，以继续满足芯片制造商对生产速度的要求。

EUV 的光学系统：用镜子代替透镜

波长较短也意味着光学系统必须彻底改造。毕竟，EUV 光会被玻璃吸收，普通的透镜无法发挥作用。因此，ASML 不得不采用反射光线的镜子。但同样，EUV 光非常不稳定，普通的镜子无法满足需求。

ASML 正在与德国镜头制造商蔡司合作开发光学系统。两家公司联合开发了一种光学系统，可以反射尽可能多的 EUV 光，而不会损失太多光线。这些镜片由交替的硅和钼层构成，然后经过全面抛光并镀膜。

所有这些确保了13.5纳米的光能够被尽可能高效地反射，从而使产生的EUV光尽可能多地到达晶圆上。即便如此，每面镜子上仍有30%的EUV光会损失。经过十面镜子，加上一个带有芯片设计的反射掩模版，最终只有一小部分光真正到达晶圆上。这也是为什么为了以足够的速率生产芯片，每秒必须蒸发数万个锡滴的原因之一。

EUV的运营和未来

所有这些组件共同构成了芯片。这与之前的光刻机基本相同。光源通过蒸发锡滴产生极紫外光 (EUV)。该光经机器反射，通过反射镜反射。反射镜逐渐汇聚并聚焦光线，同时芯片设计通过反射掩模版记录在光线中。最后，光线以极高的精度照射到晶圆上。这个过程反复进行，经过数月的努力，芯片最终投入使用。

自 2019 年以来，芯片制造商一直积极使用 EUV 技术来开发更先进的芯片制造工艺。台积电率先采用 EUV 技术，随后是三星、英特尔，以及内存制造商美光和 SK 海力士。随着工艺的日益先进，EUV 的使用也日益增多。例如，台积电首个采用 EUV 的工艺——N7+，最初仅在最底层四层使用了 EUV 设备。据估计，台积电目前已在其 N3B 节点将这一数字提升至二十层以上。

与此同时，费尔德霍芬（Veldhoven）的 EUV 改进工作仍在继续。下一代 EUV 将于今年投入生产。这些所谓的高数值孔径 EUV 机器将使用相同的 13.5 纳米波长，但光学系统将得到改进，数值孔径更大。更高的数值孔径确保光学系统能够捕获和聚焦更多光线，从而实现更高的分辨率。因此，高数值孔径将能够制造更小的晶体管，而无需像“普通” EUV 机器那样进行多重图案化。

ASML 也在致力于提高光源功率，以便让更多光线到达晶圆，从而提高产量。与此同时，他们正在研究能否通过引入超数值孔径 (Hyper-NA) 来进一步提高数值孔径。虽然目前尚不确定是否会引入超数值孔径，但 ASML 前首席技术官 Martin van den Brink在接受 Tweakers 采访时对超数值孔径表示乐观。

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