什么是EUV光刻？为什么如此重要？

关键要点：

极紫外光(EUV)的波长非常短，接近x射线。

EUV光用于微芯片光刻，在硅片上印刷图案。

荷兰公司ASML是这项技术的先驱，也是EUV光刻系统的唯一来源。

极紫外光的短波长使得制造一些最强大的微芯片成为可能。

EUV光是指用于微芯片光刻的极紫外光，它涉及到在光敏材料中涂覆微芯片晶圆并小心地将其暴露在光下。这将在晶圆上打印图案，用于微芯片设计过程中的进一步步骤。

计算机的历史就是半导体工业的历史，而半导体工业又是不懈追求小型化的历史。在20世纪50年代到80年代中期的初期阶段，光刻技术是通过紫外线和光罩将电路图案投射到硅片上。

在此期间，摩尔定律(20世纪60年代的格言，即微芯片上晶体管的数量每两年翻一番)开始挑战这一过程的物理极限。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有达到极限的危险。从20世纪80年代到21世纪初，深紫外(DUV)光刻技术推动了下一代小型化技术的发展，使用了153至248纳米范围内的短波长，这使得半导体硅片上的印记更小。

在进入新千年之前，世界各地的研究人员和竞争公司都在寻找制造极紫外光刻技术的突破，甚至可能实现更短的波长。2003年，阿斯麦公司完成了一个原型机，但又花了10年时间才开发出一个可供生产的系统。

从那时起，每隔几年，ASML就会推出下一代EUV光刻系统，其生产能力更强，波长低至13.5纳米。这使得微芯片设计变得难以置信的精确，并使晶体管尽可能密集地放置在微芯片上——简而言之，它使计算机速度更快。

ASML的EUV光刻系统发射波长约为13.5纳米的光，这比上一代DUV光刻所使用的波长短得多，因此可以在半导体晶圆上印刷更精细的图案。最先进的微芯片可以拥有小至7、5和3纳米的节点，这些节点是通过将半导体晶片反复通过EUV光刻系统制成的。

虽然你不可能在你的车库车间里按照这些步骤来制造半导体，但它们对于理解所涉及的技术如何进步以及潜在的投资基金在哪里可能是最好的是很重要的。首先，将高强度激光对准一种材料(通常是锡)，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。

产生的光被收集起来，并通过一系列的镜子和光学系统，通过掩模或网线，作为电路图案放置在EUV光的路径上，以一种类似于使用模板在板上绘制图案的方式。晶圆片上有一种被称为光刻胶的材料，它对极紫外光很敏感，暴露在它面前的区域会发生化学变化，然后被蚀刻。然后，新的材料可以沉积在蚀刻区域，形成微芯片的各种组件。这个过程可以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电路。

在这些步骤之后，晶圆经过进一步的加工以去除杂质，并准备将芯片切成单独的芯片。然后将它们包装在电子设备中使用。

虽然大量购买EUV光刻系统已经成为超导行业的一大新闻，但考虑到所涉及的巨大成本和它可能带来的技术进步，DUV光刻仍然得到了更广泛的应用。它的优势是已经在生产设施中，员工接受过使用方面的培训。

EUV光刻技术的波长极短，约为13.5纳米，可以在芯片上更精细地蚀刻更小的特征。对于DUV光刻来说，它的工作波长从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，突破了物理学的界限，但DUV光只能用于低于10纳米的尺寸，并且分辨率质量会下降。

EUV光刻系统不仅具有新技术的启动成本，而且比DUV光刻的设备和维护成本更高。例如，英特尔在2023年安装的EUV光刻系统每个成本为1.5亿美元。

这种成本使得DUV光刻系统更适合那些不需要EUV光刻的小尺寸的应用。

DUV光刻也是一个已知的数量:不需要额外的培训，新的设施，以及EUV光系统需要的其他主要资本投资。手机、电脑、汽车和机器人中的许多芯片仍然需要DUV光技术，而且它已被证明是强大而通用的。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，这是它的一个重要优势。

许多人预计DUV光刻技术在未来几年仍将流行。这在一定程度上是因为极紫外光刻技术的价格和任何新技术所带来的技术问题。此外，DUV光刻技术不会停滞不前，继续改进它如何帮助创建我们日常生活中许多电子设备中的芯片。

该行业可能处于转型阶段，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光刻技术带来了许多优势，这些优势可能会导致微芯片生产的未来发展。以下是英特尔等半导体公司在这项技术上投入巨资的两个原因:

EUV光可以在硅片上产生更复杂和精细的图案，允许在微芯片上放置更多的晶体管。EUV光刻减少了创建电路所需的图案层数(掩模数)。

极紫外光刻技术有很多优点，但作为一项新技术，必须考虑到它的缺点。

EUV光刻系统比其他微芯片光刻系统更昂贵。

尽管华为在EUV光刻技术方面有所突破，但目前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。

半导体的未来远不止5纳米或7纳米。早在2021年，IBM研究院就发布了世界上第一个可工作的2nm节点晶体管。现有的EUV机器，虽然支持了过去十年的半导体工艺发展，但无法达到将2nm节点蚀刻到芯片中所需的分辨率，从而有利于大规模生产。这些机器可以做到如此精确——IBM就是这样设计第一个工作的2nm节点的——但它需要从EUV光中照射三到四次，而不是一次照射。这一点，连同其他与研究小于一纳米的节点相关的问题，意味着研究人员需要考虑一种新的方法。解决方案是所谓的高数值孔径(或高NA) EUV光刻。

这种新方法在功能上与EUV光刻相同，但顾名思义，光学元件更大，支持在晶圆上打印更高分辨率的图案。如果你用过专业相机，你就会知道增大数值光圈会使对焦更清晰，但这也意味着对焦深度变浅。

高NA EUV光刻也是如此。

在未来，研究人员期望这项技术将允许他们探索生产只有几纳米宽的计算机芯片所需的工艺。但在此之前，新的挑战将会出现:研究人员必须确保光刻中使用的光敏材料实际上可以在这些较小的尺寸上解决问题，以及较浅的聚焦深度可能产生的挑战。例如，图案不能有任何模糊，否则会导致芯片蚀刻不精确。此外，用于打印这些图案的掩模也必须进化以支持这些较小的特征。

一个高NA的EUV将是一个比第一代EUV更复杂的机器，学习如何利用它将推动下一个十年的半导体创新。随着研究人员努力实现当前EUV光刻系统的全部潜力，他们已经开始考虑未来可能会发生什么——这几乎肯定会包括高NA EUV光刻。

技术不断进步，对晶体管密度越来越大的微芯片的需求仍在继续。虽然EUV光刻技术处于技术的极限，但对可以改进或取代它的技术的研究仍在继续。多电子束光刻、x射线光刻、纳米压印光刻和量子光刻在未来都有可能超过极紫外光刻。

极紫外光用于微芯片的生产。在制造过程中，EUV光刻技术在硅片上印制图案。

摩尔定律指出，微芯片上晶体管的数量大约每两年翻一番。这意味着计算机每两年就会变得更快、更强大，而且这种增长是指数级的。该法以英特尔联合创始人戈登·e·摩尔(Gordon E. Moore)的名字命名。尽管这种情况持续了很多年，但一些人预测它将在本世纪20年代结束。

EUV光用于微芯片光刻，以产生制造微芯片所需的图案，尽管其尺寸比以前的光刻技术要小得多。近年来，华为加大了对半导体研发的力度，之前还发布了与EUV相关的技术专利，哈工大突破了EUV光源技术，中科院旗下的光机所也有相关突破。这些进展为国内先进光刻机甚至是EUV技术的实现奠定了坚实基础，预计会加速国产光刻机的发展。