EUV光刻机内22万℃高温，1秒内5万滴锡被激光照射，德国蔡司立功

欧洲估值“最高”的科技公司是荷兰的ASML，市值约为2800亿美元。全球只有ASML能制造EUV极紫外光刻机，截至2011年ASML占据全球光刻机销售额的67%。EUV极紫外光刻机内部非常玄幻，锡熔点只有231.89℃，当一小滴锡被喷射到光刻机的真空室内时，一股激光准确的照射到这个锡滴上，锡滴被激光照射后迅速膨胀，随后主脉冲把锡滴加热到220000℃，这是太阳平均表面温度的40倍，很难想象这是光刻机内部发生的事情。全球80%的微芯片均采用德国蔡司光学器件生产的。

ASML的光刻机

1946年，美国造出了计算机“埃尼阿克”，这台笨重的计算机内有1.8万个真空管“开关”，打开真空管为1，关闭的编号为0，但每2天就会有一个真空管坏掉，导致计算机停止运行，工人就要从1.8万个真空管中找到坏掉的那个，于是科学家们开始找小而快的“开关”，后来发现硅或锗等半导体施加电场的情况下能像“阀门”一样工作，于是晶体管这种“开关”代替了真空管。杰克·基尔比把多个晶体管放到同一块硅板上就形成“集成电路”，这就是早期的芯片，后来芯片小型化就成了人们研究的问题，于是就出现了光刻机。

计算机“埃尼阿克”

为了提高芯片的计算能力，工程师把越来越多的晶体管封装到晶圆上，并且体积也越来越小。阿波罗11号的登月舱计算机的微芯片内只有1000个晶体管，这样的简陋的芯片都能登月。今天你的手机芯片内甚至有570 亿个晶体管。这就是科技的力量，这和光刻机的功劳是分不开的。

阿波罗11号的登月舱计算机

光刻机分为很多种比如接触式光刻机、直写式光刻机、投影式光刻机、干法光刻机、浸润式光刻机等。如果以光源波长划分，可以分为UV（紫外线）、DUV（深紫外线）、EUV（极紫外线），7纳米及以下的先进芯片制程工艺只能通过EUV来实现。而只有荷兰的阿斯麦ASML才能生产EUV光刻机。

光刻机

顾名思义光刻机就是用光把电路印刷到涂在硅晶圆上的感光层上，形成可以蚀刻到晶圆上的浮雕图案，这个过程要重复好多次，创建芯片复杂晶体管和布线设计。ASML生产的光刻机需要3架大型喷气式飞机才能运输完100,000 个零件。这台庞大的机器每天能以纳米精度打印数百个晶圆。这所有的零件中，德国蔡司生产的光学器件非常重要，这也是为什么光刻机名字中有光的原因。

光刻机很大

1970年造的芯片上只有1000个晶体管，如今指尖大的芯片上就有570亿个晶体管元件，内部微芯片的结构比头发细5000倍，这些细小的晶体管就是13.5纳米很短波长的光产生。用的就是德国蔡司EUV光刻光学器件。EUV 代表“极紫外”光，人眼看到的可见光波长在400-800纳米之间，而紫外线的范围正好从400纳米以下开始的。目前成熟的“深紫外光”(DUV) 的光刻工艺的工作波长为193纳米，这样得40纳米尺寸的结构成为可能。EUV光刻使用波长为13.5纳米的光，这比传统光刻系统中使用的光的波长短得多，让人类可以生产7纳米甚至3纳米的芯片。

晶圆

极紫外光（EUV）很难处理，因为这种光很脆弱，很容易被任何物质吸收，就算一丁点空气也会对其传播构成巨大的障碍，所以整个光刻过程要高真空中进行。因为EUV 会被任何材料强烈吸收，因此不能使用折射镜片，而是使用反射镜片。就算是多层布拉格反射器也能吸收大约30%的EUV光。虽然听起来不多，但EUV光束需要由十几个这样的镜子来整形，这样来回反射后EUV光束照射到晶圆上时，已经衰减了99%，这样接收到的功率太低，则需要更长的曝光时间，将严重限制吞吐量。

EUV极紫外光

为了能生产EUV极紫外光，需要快通公司生产的强大激光器，要用高功率CO2激光器，需要有30千瓦的功率，这个功率是切割钢材传统工业激光器的2倍，但激光本身不能产生极紫外光。就需要一种非常特殊的方法，首先把熔化的锡形成微小的液滴，每一滴的直径只有30微米，每一秒就会有50000个锡滴被喷射到真空室中，当锡滴到达镜子的焦点时，强大的二氧化碳激光脉冲就会准确的击中液滴，将其变成超热等离子体，因为温度瞬间升高，液滴就会膨胀。这还没有结束，尾随主脉冲激光以全功率撞击锡蒸汽，此时被点燃锡等离子体发出 EUV极紫外光辐射。此时的离子体温度已经高达220000摄氏度，这比太阳平均表面温度还要高40倍。

激光照射锡滴

锡离子快速冷却并与电子重新结合，发射EUV光子，因为EUV光是从一个微小的点发出的，这种设计能减少了介质对EUV光子的吸收。由于光学系统效率低下吸收了99%的输出，所需的EUV功率输出并不是很大。虽然金属离子在产 EUV光方面表现很好，但也带来了一些维护问题。由于锡等离子体是在真空中产生的，因此它为真空镀膜创造了良好的环境，导致锡原子快速沉积到高度抛光的镜子上，随着时间的推移，其反射率降低。所以镜子要定期更换和清洁费时又费钱。为了避免离子沉积，放置两个超导线圈以产生强大的磁场，将金属离子重定向到离子陷阱内，因为带电粒子沿着磁场线移动的。

因为紫外线会被包括空气在内的所有材料吸收，蔡司为EUV光刻机创建了光学系统要在真空室中运行，是由曲面镜组成，就算一些微小的不规则性也会导致成像错误，所以制造的布拉格反射镜是世界上非常准确的多层镀膜反射镜，如果将这样一面镜子放大到德国的大小，上面的凸起的部分也只有0.1毫米高。结果不言而喻，如果这些EUV反射镜之一能够改变激光束的方向并将其瞄准月球，那么它就能击中月球表面的乒乓球。除了如此高精度之外，EUV 反射镜还需要很高的质量和反射率，蔡司已拥有2000多项专利来确保这项技术。

这些科技让你手中的手机比50年前NASA用来载人往返月球的所有计算机都更强大。当时戈登·摩尔提出了以他的名字命名的定律：计算机芯片上的晶体管数量每2年就会增加1倍。在登月飞行时1个芯片平均只有1000个晶体管，今天这一数字已超过570亿。其中一项关键技术是光学光刻技术，通过这个过程，光掩模的结构通过光成像到硅晶片的光敏层上，就像幻灯片投影仪一样。光的波长越短，晶圆上的图案就越精细，随后用于制造微芯片。这增加了同一面积上的晶体管数量以及可能的计算能力。

摩尔定律

这也是为什么EUV极紫外光能制造3纳米芯片的原因，这一技术飞跃是芯片制造史上非常大的技术飞跃，延续了摩尔定律。目前全球80%的微芯片均采用蔡司光学器件生产。2018年，半导体行业全球销售额4460亿美元，到2030年，这些销售额将增加1倍以上，达到1万亿美元。德国蔡司生产用于 DUV（深紫外）和 EUV（极紫外）光的光学器件已经被实用，并已开始研发下一代 EUV“高数值孔径”。数值孔径将使得甚至更小的半导体结构，测量值低于 7纳米成为可能，在曝光过程中，蔡司的高精度光掩模将芯片结构以大幅缩小的尺寸转移到晶圆上，生产出3纳米的芯片。

EUV

目前芯片已经迭代到3纳米，台积电和英特尔等开始研发2纳米、1.8纳米和1.4纳米工艺。这种先进的制造工艺，只有荷兰的ASML可以提供，而里面的光学镜头只有德国的蔡司能够提供。其实3纳米是被各个芯片制造商用作营销术语，不同制造商对定义3纳米节点的数字没有达成全行业一致，也就是让普通吃瓜群众看的。如果没有EUV，7纳米将是一个昂贵的节点，不仅在制造、晶圆成本和掩模成本方面，而且在设计成本和开发时间方面也是如此。当用到EUV 时，可能会进行一些非常严格的切割，例如鳍片切割、栅极切割等，它可能会用于孔，例如触点或通孔，但是效果是显而易见的。

目前虽然能用DUV生产7nm产品，但存在产能和良率的缺点，成本远高于使用EUV生产。佳能的NIL技术，在适用性上远不如EUV。光电芯片和量子芯片也远未到技术成熟阶段，而且应用的领域也极为狭窄，比如手机电脑就根本用不上，在所有新技术上叠加使用EUV工艺，完全可以使产品更上一层楼。其实EUV在现实世界里的畅销就已经说明了一切。