EUV是什麽意思？
它的全稱是極紫外光刻，中文名是極紫外光刻。它是集成晶圓加工技術的升級。與上壹代的主要區別在於，它升級了“雕刻”用的光，用波長為193nm的極紫外取代了短波紫外。之所以叫“極”，是因為這個波長已經是紫外線的極限了。如果短於10nm，就會進入“X射線”的領域，所以人們在某些場合會稱之為“軟X射線”。
可以看到，紫外光的邊界在10nm。
什麽是光刻？
這是現代集成電路生產的主要流程。計算機是由邏輯電路組成的計算裝置。最早的計算機是由巨大的電子管組成的。“ENIAC”由17000個電子管、70000個電阻、1000個電容和7000個二極管組成，重達30噸，手工焊接500萬次！
這些熱水瓶像管子壹樣。
20世紀50年代，晶體管開始進入計算機領域。第壹臺晶體管計算機被IBM的電子管計算機magic change命名為“IBM7090”。改造後，它的速度提高了6倍，價格降低了壹半。然而，生產計算機所面臨的“布線地獄”的問題並沒有得到根本解決。隨著晶體管的增加，到60年代末已經接近極限。終於在1959年，初級集成電路誕生了。
那個時代的電腦布線
早期的集成電路是將壹組具有壹定功能的晶體管(通常不超過5個)集中在壹個小小的矽體上，然後封裝，再用印刷電路板代替導線來實現計算機的功能。這樣就大大降低了體積和成本，提高了可靠性。
每個小黑塊就是壹個小集成電路。
不過這種單體不超過五個的晶體管電路也是有限制的。為了進壹步提高集成度，人們必須想出壹個新的主意。比如晶體管可以像印刷電路壹樣印刷在矽板上嗎？下面是故事，最後是我們主角“平版”的家。英文lithography是三個希臘單詞的拼法:Photo(光)、litho(石)和photography(文字)。
什麽是光？
但是請不要擔心，為了走得更遠，有時候妳必須要走得更深。在開始正面的主角故事之前，我有必要重新介紹壹下大家極度熟悉又陌生的朋友:光。
相信願意打開這篇文章的妳壹定知道光的壹些定義，比如“光是電磁波”“光是由光子組成的”。那為什麽光既是電磁波又是粒子？這種現象被稱為“波粒二象性”。我用壹個比喻，讓每個吃瓜的人認真理解這個看似矛盾的特點。
只是用水作為比喻的主體。光和無線電波都是能量，在宇宙中到處傳播。它們就像在V型溝中向前流動的水。不同的溝渠有不同的水流，但它們有壹個必須遵守的規律，那就是它們的總流量是壹樣的，這樣壹些溝渠就會有高而寬的水面，水流平緩；但有些溝渠水面短而窄，水流湍急。
如果我們把壹塊石頭比作壹種由原子組成的物質，那麽當我們把壹塊石頭扔進不同的溝裏，我們會看到不同的現象；如果是高水面的溝渠，石頭只要沈到底部，很快就會恢復平靜，水面平靜的看不到任何動靜，就像石頭掉下來之前壹樣。但如果是淺溝，水流會因為石頭的阻礙而明顯變形。如果有的水面低於石頭的高度，水碰到石頭甚至會濺起水花。
這裏的水面“高度”類似於電磁波的“波長”，水的流動反映了電磁波的“波動”；但激起的波的大小與電磁波的能量量子強度相似，波體現了電磁波的“粒子性”。水的流量是相等的，體現了光速不變的原理。這樣，我們就很容易理解“光是電磁波”這句話的實質了:
當波長很長時，水面不能反射“粒子”。如果要判斷其中壹個水分子的軌跡，可能壹會兒在左邊，壹會兒在右邊。我們根本看不到水是如何繞過石頭的。
如果波長很短，水面無法反映“波動”，水面越淺意味著流向越清晰。我們可以知道，任何壹個水分子，不仔細看，壹定是沿著幾乎壹條直線過來的，準確地撞在石頭上，濺起水花。如果水面相當低，流速極快，水甚至會被石頭濺起老高，無法越過石頭。
這兩個例子分別對應於無線電波和光波的特性。光沿著直線傳播，可以在物體上反射粒子電磁波。它們之間沒有特別明確的分界線，是像水面高低壹樣的平滑過渡。為了分類方便，我們把所有電磁波從“它能在水面上造波”到“它不會穿透石頭”的範圍都稱為光波。能量最弱的是“極紅外”，能量最高的是“短波紫外線”。
人能看到的，看不到的，就是光。
人眼在這個光波範圍內能看到的東西也很窄。“粒子”太弱，人眼察覺不到，它繞過了人眼的色素。最多只能看到紅燈，然後就看不到了。這些比紅光弱的光波統稱為“紅外光”。紫外線正好相反，因為能量太高。如果照射到眼睛裏，會燒壞視網膜，所以人眼的晶狀體全部吸收，但是紫外線還是很強。長時間暴露在高強度的紫外線下，晶狀體最終會燒壞，變成白內障。
不僅人，動物也會患白內障。
現在我們來關註壹下紫外線。我們已經知道它們是非常高能的。高能帶來的壹個特點是，它們可以對物質產生強大的影響。我說光波範圍的時候提到了“石頭不會被分解”，因為去那裏是X射線，這是壹種能量極高的電磁波，穿透力極強。在運河的世界裏，已經不能用“流”來形容了。應該說是可以直接在擋路的石頭上開壹個洞的“水激光”！紫外線的能量大概就像壹個“高速水柱”。雖然不壹定要開洞，但是在壹些材料上噴個洞還是可以的。它能使某些化合物發生化學反應，變成另壹種化合物(這就是它能灼傷視網膜和晶狀體的原因)，光刻術就是利用了這壹特性。
先從晶圓開始了解光刻。
妳應該在很多新聞裏看到過這麽多彩的光盤。這個圓盤叫晶圓，現在芯片制造就靠它了。因此，這些能生產芯片的公司也被稱為“晶圓代工廠”，如著名的臺積電(臺積電)，其標誌就是晶圓。
新聞裏看到的威化
每壹個都是要封裝的小芯片。
那這個東西為什麽是圓的？因為它的原料是圓形的，就像壹根大香腸，每壹塊都是從上面切下來的。這個大香腸叫】單晶矽，純度高達99.9999999%。那為什麽要把單晶矽做成這個形狀？因為熔化的矽如果像鑄鐵壹樣冷卻，裏面的矽原子會無序排列。矽是晶體，也可以像雪花壹樣生長，形成特定的幾何結構。
矽錠
就像冰箱裏的水不會變成雪花壹樣，我們必須讓矽晶以更溫和的方式生長。當壹個小小的矽晶體被放入熔爐中，矽原子會像拼圖壹樣嵌入其中，形成連續生長的矽晶體。為了保持形狀均勻，這個設備會旋轉，慢慢上升，從爐內取出矽錠，是這樣的。
切片完成後，就要進入光刻步驟。這也是我之前壹直很好奇的問題。妳知道納米有多小嗎？現在壹個晶體管只有7nm寬，壹個HIV病毒是120nm，壹個紅細胞是7500nm，壹根頭發的直徑高達45000nm！本來想用紅細胞做壹張圖來表現區別，但是很快發現不可能把它們放在壹張圖裏。他們差了1000倍！)。
HIV病毒和7納米晶體管的尺寸比較(右下角)
在矽板上雕刻出如此微小的圖案真是不可思議。直到深入了解才知道光的縮放原理。這就像投影儀的逆向操作，通過透鏡將較大的畫面照射到較小的區域，從而可以在原子級別上雕刻出圖案。
具體操作是在晶圓上塗壹層絕緣性能相當好的材料，然後在絕緣材料上再塗壹層在紫外光下容易發生化學變化的膠，叫做光刻膠，然後就輪到掩膜版出現了，這就是光刻的底片。紫外線穿過口罩後，會留下陰影。未屏蔽的紫外線照射晶圓後，光刻膠會變成壹種化合物，可以被特定的溶劑洗掉，現在我們需要雕刻的圖案就會暴露出絕緣介質。
接下來的壹點叫蝕刻，也就是靠“侵蝕”來雕刻。只有到了這壹步，才能真正進入雕刻的過程。現在我們知道，最初的光雕不是水晶，而是表面的膠水。刻蝕的方法有很多，現在普遍采用的是等離子體沖擊，就像下圖，去除之前塗的高絕緣材料，露出下面的矽晶體。然後用另壹種溶劑洗掉剩余的光致抗蝕劑，並通過壹些技術將硼或砷和磷註入暴露的矽晶體中。在高溫下用這些原子取代少數矽原子的過程稱為摻雜。這樣就在矽板上畫出了小晶體管，所有的晶體管都是這樣刻在矽板上的。
這離放松還遠著呢！我們需要連接這些小晶體管，這是最復雜的部分！每個晶體管有三個引腳，這些引腳需要交叉連接。相當於重慶壹座復雜十倍的神奇立交橋。通常，需要十多次類似上述的光刻操作來構建它們。不同的是，這次是在光刻留下的溝壑裏填銅，然後拋光。
右邊是6個晶體管的連接，但真正的晶體管總數是654.38+0億...
這樣壹個芯片的主要工藝就完成了，剩下的就是讓每壹個芯片通過質量檢測，剔除不良品，切割，封裝。成品芯片準備好了。
為什麽要升級？
很簡單，為了更準確。之前用的光是波長193nm的紫外光，比我們目前制造的晶體管的7nm大27.5倍。我在上面的比喻中提到，波長越短，水柱越細，傳播越直，能量越大。水柱對石頭是否有反應，是由水柱本身決定的，但也與石頭的形狀有關。比如水柱的截面積是193m㎡，石頭只有7m2，所以還是會有很多水繞過石頭。
激光衍射光柵(這和牛頓分光不是壹回事)
這種現象被稱為“衍射”，即光線會偏離“直線傳播”。本來作為電磁波的固有屬性，在光波波長下已經被削弱到難以觀測，只有遇到非常小的物體才能再次顯現。恰好光刻在這個尺度上行得通，這是技術必須面對的挑戰。為了提高光刻的分辨率，需要減少光的衍射。
減少衍射最簡單的方法當然是讓“水柱”變細，也就是讓光的波長變短。這是從193nmArF進化到13.5nmEUV MeUV最自然的方式。用壹個新的比喻來說，193nm還是西瓜刀，13.5nm是手術刀，精致鋒利，可以切掉壹個微小的病變組織，又不傷到緊密的血管。
EUV如何度過遲到的10年？
理想是完美的，現實是艱難的。EUV已經推遲了十年。這十年，193nm ArF技術“老當益壯”。畢竟，EUV無法超越它，但它仍必須超越。液浸和多圖案化的技術，給了這位只能止步於65nm的老將強大的延壽能力，付出了巨大的努力，創造了奇跡，盡管只是延壽到7nm。
這兩個維持生命的神器是如何做出如此驚人的事情的？“液浸”是指用水或其他液體代替空氣作為紫外線的傳輸介質，可以在壹定程度上提高分辨率。
水被包裹在燈和晶片之間。
而“多次曝光”就是把壹個精確的操作分解成幾個簡單的操作，讓即使是粗糙的工具也能勉強完成。舉個例子，我想在西瓜上刻壹個小指粗細的洞，只需要用手術刀轉壹下，而西瓜刀不能，於是我們把“刻圓”簡化為“刻十二邊形”，在大量輔助設備的幫助下，用西瓜尖戳西瓜十二次，也算是類似的效果。
“正十二邊形”和“圓”雖然差不多，但是過程比較麻煩，精度也上不去。最重要的是，在7nm這個級別，這個技術已經到了極限，升級是唯壹的選擇。
EUV已經規劃和發展了20年。原本以為會在2010左右進入產業化階段，大規模商用。然而，在R&D的過程中，光刻機廠商發現，這種“全村的希望”、“摩爾定律的拯救者”和下壹代的技術研發，遠比想象中的困難！
EUV的困難是什麽？
難就難在這把“手術刀”鋒利到連握刀的手都忍不住顫抖。
193nm紫外的光子能量為6.4eV(電子伏特，能量單位)，EUV的光子能量高達91~93eV！這種能量的光子用普通方法是發射不出來的，用激光或燈泡都不行。它的生成方式聽起來很變態，需要將錫熔化成液態，然後壹滴壹滴地滴下，在滴下過程中用激光轟擊錫珠，使其變成等離子態，從而釋放出“極紫外光”。這樣的光源長時間在裏面會濺出很多錫粒，壹定要定期清理。
發光原理，可以看到滴落和轟擊。
EUV不僅能量高，而且對物質有很大影響。它們幾乎可以被任何原子吸收:空氣和玻璃都是不透明的，所以它的傳播路徑必須是完全真空的，也就是說，EUV光刻機內部也必須處於真空狀態。晶圓從氣閘進入，混入其中的空氣必須不斷抽出。
因為玻璃不能再用了，我們只能用鏡子把EUV聚焦成合適的形狀。這個由六個凹面鏡元件組成的系統被稱為EUV/X射線聚焦系統。
示意圖和立體圖
不過，就算是鏡子也好不到哪裏去。每面鏡子將吸收30%的EUV。整個系統中有四面鏡子用於照明系統，六面鏡子用於聚焦系統。EUV面具本身就是壹面額外的鏡子。經過11次反射後，只有約2%的EUV到達晶片，這真的很感人...
EUV使用的鏡子
因為效率感人，所需功率也大增。193 nm ArF準分子激光的功率強度為200 W/cm 2，用於產生EUV等離子體的激光大約需要10000000000 W/cm2！ArF光源平均功率45W，而EUV光源平均功率500w！這也是掩模對準器制造商面臨的挑戰之壹。
除了這兩個主要問題，還有各種各樣的問題需要解決，比如二次電子對光刻膠的曝光，光化學反應釋放氣體，EUV對光掩模的腐蝕。這導致了EUV長期的低產量。在之前公布的數據中，EUV的產量僅為每天1500片，而193nm ArF的產量為6000片。即使已經正式商用，EUV的成本仍然很高。
未來已經來臨，EUV
目前唯壹能供應EUV的光刻機廠商是荷蘭的阿斯麥公司，壹年只能交付30套光刻機，所以現在用EUV是壹件非常奢侈的事情，已知只有麒麟990 5G肯定用EUV技術。得益於EUV的先進性，麒麟990 5G上的晶體管比上壹代驚人的69億幾乎翻倍，達到了驚人的103億！因此成為全球首款集成5G基帶的移動終端SOC。因為太優秀了，和身邊的朋友在壹起總顯得有點格格不入。畢竟大家都還在玩NSA的外置基帶。
下壹代終極手術刀EUV已經造出來了，未來它終將進入全面EUV時代，挑戰5nm的任務非它莫屬。科技的進步給我們帶來了壹次又壹次的革命。現在這場soc工藝革命已經來到我們身邊，未來已經到來。難道妳…不想試試嗎？