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面對卡脖子的EUV光刻機,清華新型光源真能帶來彎道超車嗎?
2022/09/09
2022/09/09

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EUV光刻機成為中國芯片產業的卡脖子技術,大家都在奇怪,為什麼只有荷蘭的ASML公司才能生產這種光刻機呢?清華大學研究出了新型的極紫外光源,能否助力國產光刻機彎道超車呢?我是東城觀星,再次帶著大家認識一下光刻機的困境。想了解更多硬核科普知識,別忘了關注我。

一、極紫外光刻機是光刻機的革命

極紫外光刻機能研發出來并進入芯片生產領域,實在不容易。在極紫外光刻機之前,所有的光刻技術都是基于透鏡折射技術完成的圖案投影。鏡片越來越精準,物鏡越來越復雜,把光學折射的學問幾乎都做到了極致。

突然說要切換到極紫外光刻機,沒有透明鏡片可以匯聚極紫外光,原有的鏡片全都不能用了,必須使用反射鏡片,原有的校準措施都需要重新設計。本來決定分辨率的一個重要參數,數值孔徑已經做到了1.35(數值越大,性能越好),使光刻機的分辨率明顯小于照射光的波長了,換成極紫外光刻機,數值孔徑卻需要從0.1做起,慢慢向1靠近。

本來已經非常成熟精準的光刻膠,不能繼續使用了,需要研發新的光刻膠。本來光刻機機箱里做好防塵就可以了,極紫外光刻機不僅要防塵還要抽真空防空氣,因為極紫外光和空氣有反應。本來的透明鏡頭只要做好防塵,就可以長期使用,但極紫外光刻機的反光鏡,不僅要防塵防空氣,還要定期清洗,因為總有一些污染物質會防不勝防地吸附到鏡片上(這些污染物質來源于被照射的光刻膠)。僅反光鏡清洗技術一項,就可以在網上搜找到大量的科研論文。

不僅如此,大功率小個頭的極紫外光源成為制約極紫外光刻機研發的主要阻礙。光源功率低的話,不僅成像效果會打折扣,工作效率也會大大降低,從而提高生產成本。日本尼康的極紫外光刻機就是輸在了光源功率上。ASML借助美國的極紫外光源技術,并收購了美國的光源公司,最終在光源研制上遙遙領先了日本公司。

二、日本光刻機巨頭的EUV折翼教訓

其實日本尼康公司作為世界上光刻機研發的領頭羊,在極紫外光刻機的研發上,精力投入不見得比ASML少。但是,美國芯片行業八十年代曾經吃過日本的虧,差點被日本遠遠落下。為了制約日本芯片行業,不再走七八十年代的老路。美國早在1997年就成立了極紫外光刻技術的聯盟,并把尼康排除在了聯盟之外。在極紫外聯盟,技術基本成熟以后,由于美國沒有合適的光刻機生產企業能把技術變成產品。只好拉來了尼康和ASML,但因為眾所周知的原因,最終選擇了ASML。

ASML集合了美國和歐盟兩個強大后盾的技術支持,得到了Intel、台積電、三星等客戶的直接投資,更是在樣機生產出來后直接送到台積電進行生產試驗。相對于主要依托日本本土技術的尼康來說,ASML獲得了首先突破的極大優勢。

其實,日本尼康并不是從一開始就完全失敗了。尼康甚至生產出了兩代工程樣機,研發步伐并不比ASML慢多少。如果堅持投入,就算比ASML慢一些,也完全可以拿出合格的產品來。可惜的是,光刻機這個領域是個市場很小的小眾領域,尤其是高端光刻機,全球的需求量也不是很大。ASML成功了以后,留給尼康的市場空間就很小了,尼康如果不放棄,會有更多的經費打水漂。后來尼康不得不減少光刻機的投入,把更多精力放到數碼相機上去了。

ASML的成功,嚴格意義上說,并不是一個公司的成功,而是美國技術戰勝日本技術的成功。既然人家用了那麼多美國技術,受美國限制也是情理之中的。

三、中國的EUV光刻機研究也不是空白

回到中國,我們國家在光刻機的研發上,一直沒有停止投入(甚至起步也不晚)。根據國內研究論文公布的數據,早在上世紀末本世紀初,我國就有很多科學家投身極紫外光刻相關技術的研究。早在2002年就已經研制出了第一台極紫外光刻原理樣機,能實現0.25微米的分辨率。2008年,由國家02專項支持,長春光機所、清華大學、哈爾濱工業大學、上海光機所、微電子所、華東理工大學、北京理工大學等研究單位開展了高分辨率極紫外光刻技術研究。該項目2017年結項,制造的極紫外光刻機分辨率達到了32nm。后續研發到什麼程度了,我沒有見到相關報道,相信不會輕易放棄的。

也就是說,我國并不是完全沒有能力生產極紫外光刻機,更不是沒有極紫外光刻相關技術。只是受制于零配件的生產工藝限制,以及缺乏光刻機工業化生產經驗,無法達到ASML的精度水平而已。其中一個比較明顯的短板應該就是極紫外光源,就像前面說的極紫外光源的功率是限制光刻機性能的重要因素。目前三百多瓦的極紫外光源,實現起來已經非常困難了,而且由于必須用激光激發液態的錫,產生錫的等離子體才能發光,這些被激發的錫很容易吸附到燈內的反光鏡上影響燈的壽命。可以想象,功率越高,燈的壽命越難以保證。光源是國內科研主要攻克方向之一,已經取得了一些成果。

四、清華新型光源的潛力

就在大家都為國產光刻機擔憂的時候,清華大學的一項 「穩態微聚束」技術研究成果,發表在了英國的自然雜志上,并被國內主流媒體報道。相對于美國、日本、德國的光刻機光源技術,這是一種全新的光源技術,利用電子束來發光,不僅比現有的光源技術更容易實現高功率,而且工作原理上也更容易實現長壽命。據預測可以生產出千瓦量級的極紫外光源來(現有光源的三倍左右),不僅可以提高生產效率,更可以在2nm以下制程工藝上有出色的應用,可以說是一個前途無限的光源技術。

但是,客觀來講,這項技術并不見得是一個十拿九穩,幫助我國彎道超車的技術。雖然這項技術最早是由我國科學家提出來的,也是由我國的科研團隊驗證的,但是驗證設備是德國提供的(設備領域的落后不是一天兩天能追上的)。而且,這項技術目前只是通過了原理驗證,距離商業化生產還有很遠的距離。

此外,鑒于本身極紫外光刻技術就是日本科學家提出來的,而且是日本科學家最早驗證的,但最終還是被美國技術領先,并導致ASML的極紫外光刻機完勝日本尼康的光刻機成為唯一。類似的,我們最早提出了這項光源技術,并不代表這項技術最終百分百被中國拿下,美國和德國的科學家也參與了這項研究,而且人家的工業基礎更好一些。鹿死誰手,尚未可知。

好在,清華大學已經在申請十四五專項科研基金,爭取在十四五期間把這項技術變成現實的產品。一旦成功,中國和日本的情況還是不一樣的。中國已經成了世界上最大的芯片市場,未來對芯片的需求還會越來越大。國內以中芯國際和華虹為代表的芯片代工企業有很大的發展空間,而且他們都可以成為國產光刻機的主要客戶。國產光刻機比日本光刻機成功的機會更大一些,一旦技術接近甚至超過ASML,就很有可能重塑光刻機市場。

美好的前景,目前都是我們的設想,眼下來說,短時間內我們恐怕還是難以解決極紫外光刻機的生產問題。需要國內院校和企業塌下心來做研究,國內芯片產業鏈團結起來尋求突破。

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