上海站10月27日--EDA365电子硬件研讨会
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什么是下一代光刻技术EUV?

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发表于 2019-9-14 08:55 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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月6日华为发布了下一代移动终端SOC,麒麟990系列,其中麒麟990 5G版是业内首次使用EUV工艺打造出的芯片,其中的晶体管数量从上一代的69亿爆涨到103亿,而芯片面积却没有多大变化,所以也有人将其称之为“真7nm”(纳米)。就如同NSA和SA一样,使用上一代技术加工的7nm和EUV加工的7nm有着真实的代差,那么作为一名合格的吃瓜群众,要如何来理解这一先进工艺呢?今天就让本鱼用大白话为你揭秘!
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EUV是什么意思?
它的全名叫Extreme Ultraviolet Lithography,中文名叫极紫外光刻,是一种集成电晶圆加工技术的升级,上一代和它的主要区别是升级了用来“雕刻”的光,把193nm波长的短波紫外线替换成了13.5nm的“极紫外线”,之所以称之为“极”是因为这个波长已经是紫外线的极限了,再短一点点低于10nm的话就会进入“X射线”的领域了,因此有些场合人们也会称其为“软X射线”。

可以看到,紫外线的边界就在10nm

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什么是光刻?
这是现代集成电路生产的主要工艺,计算机是一个由逻辑电路构成的计算设备,最早的计算机是由巨大的电子管构成的,“ENIAC”拥有17000个电子管,70000个电阻,1000个电容,7000个二极管构成,重达30吨,经手工焊接500万次而成!

这些暖水瓶胆一样的东西就是电子管

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20世纪50年代晶体管开始进入计算机领域,第一台晶体管计算机是IBM用电子管计算机“魔改”出来的,名为“IBM7090”,改完了之后它的速度提升了6倍,价格下降了一半。但是生产计算机面临的“走线地狱”问题根本没有解决啊,随着晶体管的增加到了60年代末已经逼近极限了。终于在1959年,初级集成电路诞生了。

那个时代的电脑走线


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早期的集成电路就是将一套(一般不会超过5个)有一定功能的晶体管集中在一个小小的硅体上,然后封装起来,之后再用印刷电路板代替导线,就能实现计算机的功能了。这样一来大减少了体积和成本,也提高了可靠性。

每个小黑块都是一个小型集成电路


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但是这种单体不超过5个的晶体管电路也是有极限的,为了进一步提高集成度,人们就必须要想一个新的点子,比如,能不能像印刷电路一样把晶体管印在硅板上呢?故事到了这儿终于到了我们的主角“光刻”的主场了。英文光刻(photolithography)是三个希腊单词拼成的,分别Photo(光)、litho(石)、graphy(写)。
什么是光?
但是请不要急,为了走得更远,有时候也必须走得更深,在开始正面的主角故事之前,我有必要向大家重新介绍下每一个人无比熟悉而又无比陌生的朋友:光。

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相信愿意点开本文的你一定或多或少知道一些有关光的定义,比如“光是一种电磁波”,“光由光子组成”那么为什么光会既是电磁波又是粒子呢?这种现象叫“波粒二象性”,下面我用一个比喻让每一位认真地吃瓜群众都能理解这个看似矛盾的特征。
就用水来做比喻的主体吧,光和无线电波都是能量,在宇宙中四处传播的能量,它们就像是V字形水沟里源源不断向前流动的水。不同的水沟其水流也是不尽相同的,但是它们有一个共同的法则必须遵守,那就是它们的总流量都是一样的,这样就会出现有的沟渠水面又高又宽,水流平缓;而有的沟渠则水面又矮又窄,水流湍急。
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如果我们把石头比喻为构成由原子构成的物质的话,那么当我们把一枚石头丢进不同水沟里,就会看到不同的现象;如果是高水面的沟渠,石头只要沉底后就很快恢复安宁,水面平静地看不出任何动静,一如石头坠入之前。但是如果是比较浅的沟渠则会明显看到水流因石头的阻碍而改变形状,如果有些水面比石头的高度还低的话,水甚至会因冲击石头而溅起水花。
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这里的水面“高度”就类比于电磁波的“波长”,水的流动体现了电磁波的“波动性”;而激起浪花的大小则类比于电磁波的能量子强弱,浪花体现了电磁波的“粒子性”。水的流量都相等则是体现了“光速不变原理”。这样就能很方便地让我们理解“光是电磁波”的这名话的精髓了:
当波长很长时,水面就无法体现“粒子性”。如果想判断其中的一个水分子的运动轨迹的根本无从下手,它可能一会儿在左一会儿在右,我们根本看不出来水是如何绕过石头的。
而如果波长很短,水面就无法体现“波动性”,更浅的水面意味着更明确的流向,不用细看我们也能知道,其中的任何一个水分子一定也是沿着几乎一条直线过来的,并且准确地撞击在了石头上溅起了浪花。如果水面相当低且流速极快,水甚至会全部被石头溅得高高的,无法越过石头。
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这两个例子分别对应了无线电波和光波的特征,光就是沿直线传播,能在物体上体现出粒子性的电磁波,它们之间没有特别明确的分界线,和水面的高度一样,是平滑过渡的。我们为了分类方便,把所有的电磁波的按波长取从“可以让水面出现波澜”开始,到“不会将石头击穿”这个区间的称之为光波。能量最弱的就是“极远红外线”,能量最高的就是“短波紫外线”。

这一段人眼看得见和看不见的都算光


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人眼在这个光波区间里能看到的也是很窄的,“粒子性”太弱的人眼无法感知,它绕开了人眼的色素,我们最多只能看到红光,再弱的就看不见了,这些比红光还弱的光波统称“红外线”。而紫外线则恰好相反,因为它太高能了,如果让它照射到眼睛里会把视网膜烧坏的,所以人眼的晶状体将其都吸收了,不过紫外线还是很猛,长时间处在高强紫外线的照射下最终晶状体也会被烧坏的,变成白内障。

不仅人,动物也会得白内障


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现在让我们把注意力放在紫外线上,我们已经知道了它十分高能了,高能所带来的特性之一就是它可以对物质产生强烈影响,在上面我说光波的范围时提到了“不会将石头击穿”,因为再向那边去就是X光了,它是极端高能、具有极强穿透力的电磁波。在水渠的世界里已经不能用“流动”来描述它了,应该说是一道“水激光”,能直接把拦路的石头开个孔!紫外线的能量大概就像一条“高速水柱”,开孔虽然不至于,在某些材料上喷一个坑还是可以做到的。它可以让一些化合物发生化学反应,变成另一种化合物(这也是它可以烧坏视网膜和晶状体的原因),光刻正是利用了这一特性
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/ v0 t- ]) v+ I/ V. v- \6 S让我们从晶圆开始认识光刻
大家应该在很多新闻中看到过这样一个五彩缤纷的圆盘,这个叫晶圆(wafer),现在的芯片制造全靠它,所以这些能生产芯片的企业也被称为“晶圆代工厂”,比如大名鼎鼎的台湾积体电路制造股份有限公司(台积电),他们的Logo就是一个晶圆。

新闻里看到的晶圆

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每一个都是一个即将封装的小芯片

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那么这个东西为什么是圆形的呢?因为它的原料是圆形的,就像一根大香肠,每一片都是从当中切下来的,这个大香肠就叫单晶硅(]monocrystalline silicon),是纯度高达99.9999999%的硅晶体。那又为什么要把单晶硅做成这个形状呢?因为如果把熔化好的硅像铸铁一样放置冷却,里面的硅原子就会排列混乱。硅是一种晶体,它也可以像雪花一样成长,形成特定的几何结构。

硅锭

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就像冰箱里的水不会成为雪花一样,我们必须要用一种更温柔的方式让硅晶体成长,用一块小硅晶体放入熔化炉中,硅原子就会像拼图一样在嵌到上面形成源源不断生长的硅晶体,这个设备为了保持形态均匀,会旋转着缓慢上升,将硅锭从炉子里提出来,就成了这个样子。
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当切片完成后,就要进入光刻的步骤了。这也是我之前一直非常好奇的一个问题,大家知道纳米有多小吗?现在的一个晶体管宽度只有7nm,一个HIV病毒就有120nm,一枚红细胞就有7500nm,而一根头发的直径高达45000nm!(本来我想用红细胞制作一张图来表现差距,但我很快发现根本没法把它俩放进一张图片里,它们差了1000倍啊!)。

一个HIV病毒和一个7nm晶体管的大小比较(右下角)

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想要把这么一个微小的图案刻在硅板上简直不可思议。当我深入了解后才知道原来是利用的光的缩放原理,这就像是投影仪的逆操作,把较大的画面通过透镜照射到较小的区域,这样就可以在原子级大小的层面刻下图案了。
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具体操作是先给晶圆上一层绝缘性能相当不错的材料,再给绝缘材料上涂上一层被容易在紫外线下发生化学变化的胶,叫光致抗蚀剂(photo resist evenly)
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然后轮到光罩(Mask)登场了,它就是光刻的底片,紫外线经过光罩后会留下影子。

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没有被遮住的紫外线照射到晶圆上之后,光致抗蚀剂就会变成下图中黄色的化合物。
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这种化合物可以被特定的溶洗掉,现在我们需要刻的图案就让绝缘介质暴露出来了。
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接下来的一点叫蚀刻(etching),也就是用“侵蚀”的方法进行雕刻,到了这一步才算是真正地进入了雕刻环节,现在我们才知道原来光雕刻的不是晶体,而是表面的胶。蚀刻有很多方法,现在常用的是等离子冲击法,就像下图里那样把之前涂上去的高绝缘材料去掉,露出下面的硅晶体。
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接着再把剩下的光刻胶用另一种溶剂洗掉,就可以进入下一步了。

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之后就是用一些技术给露出来的硅晶体打入硼或砷、磷。再用高温让这些原子替代少量硅原子的位置,这一工艺叫做掺杂(doped)。这样,一个个小小的晶体管就在硅板上被画出来了,所有的晶体管都是这样在硅板上雕出来的。

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这离轻松还早着呢!我们需要给这些小晶体管连上线,这才是最复杂的部分!每个晶体管都有3个引脚,这些引脚需要纵横交错地连起来。相当于复杂十倍的重庆魔幻立交桥。通常需要十几次和上面操作一样的光刻才能把它们搭建起来,区别就在于这次是在光刻留下的沟壑中使用电镀的方式填入铜,再磨平。

右边是6个晶体管的连接,然而真正的晶体管总量是以10亿为单位的……


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这是单层铜线的制作

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这大概就是制作完成后的效果了


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这样,一块芯片的主要工序就完成了,剩下的就是让每一块都通过质量测试,去除残次品,切割,封装。成品芯片就做好了。下面这张图展示的就是显微镜下的芯片,这是一个相当老旧的芯片(因为最新的芯片光学显微镜已经看不清了),图片最后显示的黄的小方块每一个都是一个20nm的晶体管大小,而它的四分之一才是现在麒麟990上搭载的7nm晶体管的面积!

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8 p8 k% Z9 P$ o- {8 I& v7 S为什么要升级?
很简单,为了更精确。之前使用的光线是193nm波长的紫外线,可以发现它比目前我们制造晶体管的7nm要大27.5倍。我在上面的比喻中提到,波长越短,水柱越细,传播越直,能量越大。水柱对石子的反应是“激出浪花”还是“绕过”虽然大体上是由水柱本身决定的,其实与石子的形状也是有关系的,比如说水柱的截面积有193m㎡ ,而石子只有7m㎡ ,那么还是会有不少水“绕过”石子。

激光衍射光栅(这个和牛顿分解光不是一回事)


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这种现象被称为“衍射”,就是光会出现背离“直线传播”的现象。本来是作为电磁波固有的属性,在光波这个波长上已经被弱化到很难观察到了,只有在遇到极小的物体时,才能重新表现出来,偏偏光刻就是在这个尺度上工作的,这就是技术必须要面对的挑战,为了光刻提高分辨率,必须要减少光的衍射才行。
减少衍射最简单的方法当然就是让“水柱”变得更细,也就是让光的波长变得更短。这就是从193nmARF进化到13.5nmEUV的最自然而然的思路。用一个新的比喻来说就是,193nm用的还是西瓜刀,13.5nm就是一把手术刀,精致、锋利、可以切下一块极小的病变组织而不伤及紧贴的血管。

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' i  o5 N' W2 w% b% z  nEUV迟到10年是怎么度过的?
理想很美满,现实很困难。EUV已经拖延了十年了,在这十年里,193nm ArF技术“老且弥坚”,毕竟EUV还没法顶上来,自己还得上啊。液体浸没(immersion)和多重曝光(multi pattrtning)技术给原本只能止步于65nm的老将强力续命,大力出奇迹,竟然硬是给续到了7nm。
这俩续命神器到底是怎么做到这么神奇的事情的呢?“液体浸没”就是用水或其他液体代替空气成为紫外线的传播介质,可以一定程度提高分辨率。

光与晶圆间包裹着水

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而“多重曝光”说明白点就是把一个精密的操作操作拆成几个简单的操作,这样即使是粗糙的工具也能勉强完成。比如我想在西瓜上雕一个小指头粗细的洞,用手术刀只要转一下就可以了,但是西瓜刀则不行,于是我们把“雕圆”简化成“雕正十二边形”在一大堆辅助设备的帮助下用西瓜刀尖在西瓜上戳十二下,也算是完成了差不多的效果。
虽然“正十二边形”和“圆”差不多,但工序麻烦,而且精度也上不去。最重要的是到了7nm的级别,这个技术也已经到达极限了,更新换代已经是唯一选择。
EUV已经布局开发了20年了,原本人们认为会在2010年左右进入产业化阶段,大规模商用。可是在研发过程中光刻机制造商们才发现,原来这种“全村的希望”、“摩尔定律拯救者”、次世代的技术研发难度远超想象!
EUV难在哪儿?
难就难在这把“手术刀”实在是太锋利了,就连拿刀的手也忍不住颤抖。
193nm紫外线的光子能量为6.4eV(电子伏特,能量单位),EUV的光子能量高达为91~93eV!这种能量的光子用一般的方法是射不出来的,激光器或灯泡都不行,它的生成方法光是听起来就非常变态,这需要将锡熔化成液态,然后一滴一滴地滴落,在滴落过程中用激光轰击锡珠,让其化为等离子态,才能释放“极紫外光”。这样的光源用久了就会在里面溅很多锡微粒,必须要定时清洁才行。

发光原理,可以看到滴落和轰击

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EUV不仅能量高,对物质的影响也极其强大,它们可以被几乎任何原子吸收:空气,玻璃,全都是不透明的,所以它的传播路径必须是完全的真空,也就是说EUV光刻机的内部也必须是真空状态,晶圆从气闸进入,还要不断将混入其中的空气抽掉。
因为玻璃已经不能用了,所以要想让EUV聚焦到合适的形状,就只能用镜子了,这种用6面凹面镜子组成的系统名为EUV/X射线变焦系统(EUV /X-Ray focusing systems)。

示意图和三维图


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可是就算是镜子也没好到哪里去,每一面镜子都会吸收30%的EUV,整个系统里有4个镜子用于发光系统,6个镜子用于聚焦系统。EUV光罩本身也是一个额外的镜子。通过11次反射,只有大约2%的EUV来到了晶圆上,这效率真是太感人了……

EUV上用的镜子

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因为效率感人,所以需要的功率也大辐上涨。193 nm ArF 准分子激光器功率强度为200 W / cm 2,用于产生EUV的等离子体的激光器需要大约10 0000000000 W / cm 2!ArF光源平均的功率为45W,而EUV的平均光源功率为500w!这也是光刻机生产商挑战的难题之一。
除了这主要的两个问题之外,还有诸如次级电子对光刻胶的曝光、光化学反应释放气体,EUV对光罩的侵蚀等种种难题都要一一解决。这就导致很长时间里EUV的产量低,在之前公开的资料里,EUV的产量只有日均1500片,而193nm ArF的产量为6000。就算现在已经正式商用了,EUV的成本还是非常高的。
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未来已来,EUV
目前唯一可以给EUV供货的光刻机生产商是荷兰的ASML公司,一年可以交付区区30台光刻机,所以现在能用上EUV是一件非常奢侈的事,已知明确使用EUV工艺的目前只有麒麟990 5G。得益于EUV的先进性,麒麟990 5G上的晶体管比上一代已经非常惊人的69亿还翻了几乎一倍,达到了极其惊人的103亿!因而也成为了世界首款集成5G基带的移动终端SOC,因为太优秀而和身边的友商总显得有些格格不入,毕竟大家都还在玩NSA的外挂基带呢。

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EUV这把次世代极致手术刀已经打造好了,未来终将进入全面EUV时代,挑战5nm的任务也非它莫属。科技的进步给我们带来一次又一次的革命,现在这场soc制程革命也已经降临到我们身边了,未来已来,你…不想试试吗?

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发表于 2019-9-14 19:13 | 只看该作者
难以置信,居然会在这么小的地方,刻晶体管。
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发表于 2019-9-16 09:10 | 只看该作者
如果真的台积电都是EUV,我觉得有必要给每个工厂单独配一个小型核电站。。不然这个电量。。。谁都扛不住,怪不得台湾电荒严重,未来一定都会来大陆建厂,并且这种厂房一定都是在人烟稀少的地方建造,要有充足的电力设置。
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