什么是EUV光刻?

作者:admin  来源:半导体行业观察  发布时间:2023-10-30  访问量:1223

极紫外 (EUV) 光技术是半导体行业变革的关键驱动力。光刻是一种在半导体材料上印刷复杂图案的方法,自半导体时代开始以来,通过使用越来越短的波长而取得了进步。EUV 光刻是迄今为止最短的。经过数十年的发展,第一台批量购买并准备生产的 EUV 光刻机来自荷兰半导体公司 ASML。


什么是 EUV 光刻?


EUV 光是指用于微芯片光刻的极紫外光,涉及在微芯片晶圆上涂上感光材料并小心地将其曝光。这会将图案打印到晶圆上,用于微芯片设计过程中的后续步骤。


计算机的历史就是半导体工业的历史,而半导体工业的历史又是不懈追求小型化的历史。在该行业从 20 世纪 50 年代到 80 年代中期的初始阶段,光刻是通过紫外线和光掩模完成的,将电路图案投影到硅晶圆上。


在此期间,摩尔定律(1960 年代的格言,即微芯片上的晶体管数量每两年就会增加一倍)开始遇到该工艺的物理极限。这意味着计算能力的惊人增长和消费者技术成本的降低也面临着达到极限的危险。从 20 世纪 80 年代到 2000 年代,深紫外 (DUV) 光刻技术推动了下一代小型化,它使用 153 至 248 纳米范围内的较短波长,从而可以在半导体硅晶圆上留下更小的印记。


在新千年到来之际,世界各地的研究人员和竞争公司都在寻求突破,使 EUV 光刻及其更短的波长成为可能。ASML 于 2003 年完成了原型机,但又需要十年时间才能开发出可投入生产的系统。


从那时起,ASML 每隔几年就会推出下一代 EUV 光刻系统,具有更大的生产能力和低至 13.5 纳米的波长。这使得微芯片设计极其精确,并且可以在微芯片上尽可能密集地放置晶体管——简而言之,它可以实现更快的计算机速度。


EUV 光刻的工作原理


ASML 的 EUV 光刻系统发出波长约为 13.5 纳米的光,该波长明显短于上一代 DUV 光刻所使用的波长,从而能够在半导体晶圆上印刷更精细的图案。最先进的微芯片可以具有小至 7、5 和 3 纳米的节点,这些节点是通过将半导体晶圆反复通过 EUV 光刻系统而制成的。


尽管您无法在车库车间中按照这些步骤来制造半导体,但它们对于了解如何改进所涉及的技术以及潜在投资资金的最佳投资地点非常重要。首先,将高强度激光瞄准材料(通常是锡)以产生等离子体(运动中的带电电子和质子)。然后等离子体发射波长约为 13.5 纳米的 EUV 光。


当电路图案放置在 EUV 光的路径中时,产生的光被收集并引导通过一系列镜子和光学器件,通过掩模或掩模版,其方式大致类似于使用模板在板上绘制图案。晶圆上一种称为光刻胶的材料对 EUV 光敏感,暴露在其下的区域会发生化学变化,然后被蚀刻。然后可以将新材料沉积在蚀刻区域以形成微芯片的各种组件。该过程可以使用不同的掩模重复多达 100 次,以在单个晶圆上创建多层、复杂的电路。


在这些步骤之后,晶圆经过进一步的处理以去除杂质并准备好将芯片切成单独的芯片。然后将它们包装用于电子设备。


EUV 与 DUV 光刻


尽管 EUV 光刻系统的大量采购一直在推动超导行业的发展,但考虑到所涉及的巨大成本及其可能带来的技术进步,DUV 光刻系统的使用仍然更为广泛。它的优点是已经在制造工厂中使用并接受了使用培训。


EUV 光刻的波长极短,约为 13.5 纳米,可以对芯片上较小的特征进行更精细的蚀刻。就其本身而言,DUV 光刻的工作波长从 153 纳米开始。虽然芯片制造商可以将其用于尺寸小至 5 纳米或更小的设计,从而突破了物理界限,但 DUV 光只能用于 10 纳米以下的尺寸,并且会降低分辨率质量。


EUV 光刻系统不仅需要新技术的启动成本,而且本质上比 DUV 光刻的设备和维护更昂贵。例如,英特尔在 2023 年安装的 EUV 光刻系统每套成本为 1.5 亿美元。


这种成本使得 DUV 光刻系统成为不需要 EUV 光刻较小尺寸的用途的首选。


DUV 光刻技术也是众所周知的:不需要 EUV 光系统所需的额外培训、新设施和其他主要资本投资。手机、计算机、汽车和机器人中的许多芯片仍然需要 DUV 光技术,并且事实证明它非常强大且用途广泛。其相对简单的工艺也意味着 DUV 光刻在单位时间内可以比 EUV 光刻生产更多的芯片,鉴于全球对半导体的需求,这是其优势的一个重要点。


许多人预计 DUV 光刻技术在未来几年仍将流行。部分原因是 EUV 光刻的价格以及任何新技术带来的技术问题。此外,DUV 光刻技术并没有停滞不前,而是不断改进它如何帮助制造我们日常生活中许多电子设备中的芯片。


该行业可能正在经历转型,虽然 EUV 光将在芯片制造中发挥越来越重要的作用,但 DUV 光刻对于我们日常生活中使用的电子产品的生产仍然至关重要。


EUV光刻的优点和缺点


EUV 光刻是一种相对较新的技术,它具有许多优点,但也有一些缺点需要考虑。


EUV 光刻技术带来了许多优势,可能会促进微芯片生产的未来发展。以下是英特尔等半导体公司在该技术上投入大量资金的两个原因:


  1. EUV 光可以在硅晶圆上产生更复杂、更精细的图案,从而可以在微芯片上放置更多晶体管。

  2. EUV 光刻减少了创建电路所需的图案层数(掩模数)。


EUV 光刻有很多优点,但作为一项新技术,考虑它的缺点很重要:


  1. EUV 光刻系统比其他微芯片光刻系统更昂贵。

  2. ASML 是唯一一家制造这些系统的公司,这可能会给希望使用 EUV 光刻或需要机器支持的公司造成瓶颈。


迄今为止,ASML 是唯一一家制造和销售使用 EUV 光刻系统进行微芯片光刻的产品的公司。


技术不断进步,对具有越来越密集晶体管的微芯片的需求持续增长。尽管 EUV 光刻技术已达到技术极限,但对其改进或替代技术的研究仍在继续。未来,多电子束、X射线光刻、纳米压印光刻和量子光刻都可能取代EUV光刻。


极紫外光用于微芯片的生产。EUV 光刻在制造过程中在硅晶圆上印刷图案。


UV 光用于微芯片光刻,以产生创建微芯片所需的图案,尽管其尺寸比以前的光刻技术小得多。然而,由于它的新颖性,只有 ASML 一家公司制造使用它的机器,而且成本昂贵。随着技术的成熟,它应该在微芯片生产的未来发展中发挥核心作用。