【高清视频】上海进博会观展 - EUV 光刻 —— 纳米级芯片制造的核心技术

2025-11-11 16:58:35

刚过去的周六（11/8）为今年第八届上海进口博览会的观众开放日，去看了看科技类战区的一些公司展示，除了感兴趣的Samsung, SK Hynix，Micron等有限的一些存储类公司外，全球5大芯片设备产业的公司只有荷兰光刻机厂商ASML出现，但是展场很小，下面是我在现场拍摄的关于其极紫外光刻机工作的一个简短视频。

其实，对于ASML UEV极紫外光刻机的工作原理，我们下面老外制作的视频非常通俗易懂地讲述了它的工作原理，我们这里进行了逻辑整理与语言提炼，以保证清晰、层次分明，供感兴趣的工程师阅读。有时间的朋友可以直接观看下面的视频，大概39min。

为了方便工程师观看，我们针对本期视频并处理添加了中文字幕供大家参考。如果想看高清视频建议要在电脑上打开上面的视频链接进行观看！创作不易，欢迎分享到朋友圈或者与朋友讨论！如果想搬运我们的视频请告知我们。

总结：EUV 光刻——纳米级芯片制造的核心技术

一、引言：从沙子到微芯片

视频开篇指出，几乎所有现代电子产品——从智能手机到笔记本电脑——都依赖于微芯片。每块芯片内部都包含数十亿个纳米级晶体管。这些结构的尺寸以原子数量来衡量：

1 纳米 = 10⁻⁹ 米，约等于几个硅原子的宽度。

视频强调，人类如何能够以如此微小的尺度、极高的精度在晶圆上制造出成千上万亿个互联晶体管，是现代工程的奇迹。而实现这一目标的关键工艺就是——光刻（Lithography）。

二、光刻的基本概念

1. 光刻的目标

光刻的目的，是将电路设计图案从一个掩模（Mask）“印刷”*到硅晶圆上。晶圆在光刻前会被涂上*光刻胶（Photoresist）——一种对光敏感的材料。随后，通过特定波长的光照射并显影，就能把电路结构复制在晶圆表面。

2. 重复与堆叠

芯片并非一次完成。整个制造流程包含：

数十次光刻循环（约 80 层或更多）；
每一层形成不同的结构：晶体管区、导线层、接触孔等；
每层完成后都会进行沉积、蚀刻或抛光，再进入下一次曝光。

视频称，一个完整芯片从开始到完成，需要超过 1000 道工序，耗时约 四个月。

三、光刻系统的总体结构

视频中解释，EUV 光刻机是由多个复杂子系统组成的综合体，核心包括：

光源系统（Light Source） 产生波长极短的极紫外光（EUV，约 13.5 nm）。
照明光学系统（Illuminator） 控制光线的强度、均匀度和照射角度，使掩模图案能被均匀照射。
掩模（Mask）与掩模台（Mask Stage） 掩模包含要印刷的电路图案，相当于“模板”；光线经过掩模后携带图案信息。
投影光学系统（Projection Optics） 将掩模图案按比例缩小（一般为 4 倍）并聚焦到晶圆表面。
晶圆处理与台座（Wafer Handling & Stage） 控制晶圆在真空环境中高速移动与定位，使每次曝光精确重合。

四、为什么要使用 EUV 光刻

1. 光波长与分辨率的极限

传统光刻使用的是深紫外光（DUV），波长 193 nm。随着芯片特征尺寸缩小到 10 nm 以下，DUV 光的波长太长，无法清晰分辨如此细微的结构。

因此，引入了EUV 光（Extreme Ultraviolet, 13.5 nm）。短波长意味着更高分辨率，可以直接在纳米级尺度下形成图案。

2. EUV 光刻的挑战

EUV 光的能量极高，但几乎无法透过空气或玻璃。因此，整个系统必须：

在高真空环境中运行；
使用反射镜而非透镜（因为所有材料都会吸收 EUV 光）。

五、EUV 光源：锡液滴与等离子体

视频重点讲解了光源的工作原理：

锡液滴（Tin Droplet）生成 纯净的锡被加热后形成微小液滴（约 25 微米直径），以极高频率喷出（约每秒 50,000 滴）。
激光双脉冲照射

第一道脉冲使锡滴扁平化；
第二道高能激光使锡蒸发、形成等离子体（Plasma）。

等离子体发射 EUV 光 当锡原子被电离并回落到基态时，会发出 13.5 nm 的极紫外光。
光收集系统 由于 EUV 光强极低，系统使用一个多层反射镜（Collector Mirror）来聚焦和导向光线。整个过程必须在真空中完成，以防止光被吸收。

六、光线传输与反射镜系统

视频解释：EUV 光无法透过透镜，因此全部采用反射式光学元件。

每面反射镜都由布拉格多层结构（Bragg Mirror）制成，由几十层硅和钼薄膜交替叠加，每层厚度仅几纳米。
每次反射的效率约为 70%，多次反射后光强衰减极大；
为维持足够能量，光源必须极其明亮。

镜面表面误差需控制在原子级别，任何微小缺陷都会影响成像。

七、掩模（Mask）与图案转移

掩模是电路图案的载体：

由反射镜基底和吸收层组成；
图案分辨率可达数十纳米；
掩模价格极高且需完美无缺陷。

曝光时：

EUV 光经照明系统照射到掩模；
图案反射并投影到晶圆上的光刻胶层；
曝光后显影，图案转移完成。

八、晶圆曝光与处理

晶圆被固定在高精度台座上：

晶圆与掩模之间保持亚纳米级对准；
台座在曝光时以高速同步扫描；
曝光完成后，晶圆被送去显影、蚀刻、金属化等步骤。

视频提到：整个系统的扫描运动精度与速度极高，是精密机械与光学协同的典范。

九、制造一块芯片的整体流程（概览）

晶圆经过多次光刻与工艺循环，层层堆叠；
每层通过曝光、显影、蚀刻、沉积形成不同的电路层；
最终实现上百亿晶体管的集成；
这些过程在无尘室（洁净度约百万分之一颗尘粒）中进行；
整个生产周期约为 3–4 个月。

十、EUV 光刻的意义与影响

视频最后总结：

EUV 光刻是当代半导体制造的核心技术突破；
它使晶体管尺寸持续缩小、能耗更低、速度更快；
也是未来“摩尔定律”继续推进的关键动力；
但同时，设备极其昂贵、制造复杂，全球仅少数公司（如 ASML）掌握完整技术。

十一、结语

EUV 光刻机代表着现代工业与科学的极限融合：

涉及光学、材料、等离子体物理、机械工程、控制系统、真空技术；
每一台设备都相当于数十万个零件协同运作的“宇宙级仪器”；
它让人类能在原子尺度上“雕刻”硅片，从而制造出支撑现代文明的微芯片。

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