極紫外光(EUV)微影技術:半導體製造的革命性突破

極紫外光(EUV)微影技術:半導體製造的革命性突破

極紫外線(EUV)光刻術在半導體裝置製造中用於製造積體電路

極紫外線(EUV)光技術是半導體行業變革的關鍵驅動力。光刻術是將複雜圖案印刷到半導體材料上的方法,自半導體時代開始以來,通過使用越來越短的波長進行了發展。EUV光刻術是迄今為止波長最短的。

經過數十年的發展,首批用於生產的EUV光刻機是來自ASML,這是一家荷蘭半導體公司。

EUV光刻術是什麼?

EUV光指的是用於微晶片光刻的極紫外線光,該過程涉及將微晶片晶片塗覆上感光材料,並小心地將其暴露於光下。這在晶片上印刷出一個圖案,用於微晶片設計過程中的進一步步驟。

計算機的歷史是半導體行業的歷史,反過來又是不斷追求微型化的歷史。在該行業的初期階段,從1950年代到1980年代中期,通過UV光和光罩將電路圖案投影到矽晶片上進行光刻。

在這段時間裡,摩爾定律—1960年代的格言,即微晶片上的晶體管數量每兩年翻倍—開始遭遇這一過程的物理限制。這意味著計算能力的驚人增加和消費者技術成本的降低也面臨著達到極限的危險。從1980年代到2000年代,深紫外(DUV)光刻推動了下一代微型化,使用了範圍在153到248奈米的更短波長,這允許在半導體的矽晶片上留下更小的印記。

在迎接新千年之際,全球的研究人員和競爭公司尋求突破,以使EUV光刻及其更短波長成為可能。ASML在2003年完成了一個原型,儘管它還需要另一個十年來開發一個準備好生產的系統。

從那時起,每隔幾年,ASML就交付了其EUV光刻系統的下一代,這些系統具有更多的生產能力和波長降至13.5奈米。這允許在微晶片上進行極其精確的設計,並在微晶片上放置儘可能密集的晶體管—簡而言之,它使計算機速度更快。

EUV光刻是如何工作的

ASML的EUV光刻系統發出約13.5奈米的波長光,這比上一代DUV光刻使用的波長短得多,從而能夠在半導體晶片上印刷更細微的圖案。最先進的微晶片可以有7、5和3奈米等大小的節點,這些是通過將半導體晶片反復通過EUV光刻系統製造的。

雖然你無法在你的車庫工作坊中遵循這些步驟製造半導體,但了解所涉及的技術是如何被推進的,以及潛在的投資資金可能最好放在哪裡,這些都是重要的。首先,一個高強度的激光被引導至一種材料(通常是錫)以產生等離子體(運動中的帶電電子和質子)。然後,等離子體以約13.5奈米的波長發出EUV光。

產生的光被收集起來,通過一系列鏡子和光學元件引導,通過一個稱為遮罩或視頻的東西,當電路圖案被放置在EUV光的路徑中時,這種方式與使用模板在板上繪製圖案大致相似。晶片上的一種稱為感光劑的材料對EUV光敏感,暴露於它的區域會發生化學變化,然後被蝕刻。然後可以在蝕刻區域沉積新材料,以形成微晶片的各種組件。這個過程可以用不同的遮罩重複多達100次,以在單一晶片上創建多層、複雜的電路。

完成這些步驟後,晶片會進一步處理以去除雜質,並使晶片準備好被切割成單獨的晶片。然後它們被包裝用於電子設備中。

EUV與DUV光刻的對比

儘管EUV光刻系統的重大採購一直是超導體行業的新聞,鑑於所涉及的巨大成本以及它可能帶來的技術進步,但DUV光刻仍然更廣泛使用。它在製造設施中已經使用,且員工已經接受了其使用訓練。

EUV光刻,其極短的約13.5奈米波長,允許在晶片上蝕刻更細微的特徵。DUV光刻的部分,操作波長從153奈米開始。儘管晶片製造商可以使用這種設計尺寸小至5奈米或更小的尺寸,推動物理界限,但DUV光只能用於小於10奈米尺寸的設計,並且會失去解析度質量。

EUV光刻系統不僅帶來了新技術的啟動成本,而且本身就比DUV光刻的設備和維護更昂貴。例如,2023年Intel安裝的EUV光刻系統每台成本為1.5億美元。這使得DUV光刻系統更適用於EUV光刻的小尺寸不必要的用途。

DUV光刻也是一個已知的量:無需額外培訓、新設施和其他主要資本投資,EUV光系統就需要。DUV光技術仍然需要用於許多手機、電腦、汽車和機器人中的晶片,並且已證明其堅固和多功能。其相對簡單的過程也意味著DUV光刻可以比EUV光刻每單位時間生產更多的晶片,鑑於全球對半導體的需求,這一點對其有利。

許多人預計DUV光刻在未來幾年仍將受到歡迎。這部分是因為EUV光刻的價格和任何新技術所伴隨的技術問題。此外,DUV光刻技術並非停滯不前,繼續改進它如何幫助創造我們日常生活中許多電子設備中的晶片。

該行業可能處於過渡期,而EUV光在晶片製造中將發揮越來越中心的作用,DUV光刻仍然對我們日常生活中使用的電子產品的生產至關重要。

EUV光刻的優勢和劣勢

EUV光刻是一項相對較新的技術,它帶來了許多優勢和一些需要考慮的缺點。

優勢

  • EUV光刻帶來了許多優勢,可能導致微晶片生產的未來發展。這裡有兩個原因,為什麼像Intel這樣的半導體公司在技術上投入如此巨大的投資:

  • EUV光可以在矽晶片上產生更複雜和更細微的圖案,允許在一個微晶片上放置更多的晶體管。

  • EUV光刻減少了創建電路所需的圖案層(遮罩計數)。

劣勢

  • EUV光刻有許多好處,但作為一項新技術,考慮其缺點也很重要。

  • EUV光刻系統比其他微晶片光刻系統更昂貴。

  • ASML是唯一製造這些系統的公司,這可能為希望使用EUV光刻或需要支持其機械的公司創造瓶頸。

ASML是唯一的EUV光刻公司嗎?

是的,ASML是唯一製造和銷售用於微晶片光刻的EUV光刻系統的產品的公司。

什麼將取代EUV光刻?

技術經常在進步,對於越來越密集的晶體管的微晶片的需求持續存在。雖然EUV光刻已達到技術的極限,但研究仍在繼續,尋找能夠改進或取代它的技術。多電子束、X光光刻、奈米壓印光刻和量子光刻都可能超越EUV光刻。

EUV光何時被使用?

極紫外線光在製造微晶片時被使用。EUV光刻在製造過程中在矽晶片上印刷圖案。

什麼是摩爾定律?

摩爾定律表示微晶片上的晶體管數量大約每兩年翻倍。這意味著計算機每兩年變得更快、更有能力,這種增長是指數式的。該定律以Intel的共同創始人戈登·摩爾的名字命名。儘管它多年來一直成立,但一些人預測它將在2020年代結束。

底線

EUV光在微晶片光刻中被用來產生創建微晶片所需的圖案,儘管比以前的光刻技術的尺寸要小得多。然而,由於其新穎性,只有一家公司—ASML—製造使用它的機器,而且它們是昂貴的。隨著技術的成熟,它應該在微晶片生產的未來發展中扮演中心角色。

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