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ASML為啥不研發X射線光刻機?俄羅斯要在光刻機領域要跑到前面
2022/08/27
2022/08/27

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相信大家都聽說了,俄羅斯要研發X射線光刻機,這種新型的光刻機理論上比ASML的EUV光刻機分辨率更高。大家有沒有一個疑問,為啥ASML不研發這種理論上更先進的光刻機呢?新型光刻機,中國有機會嗎?給大家硬核科普一下X射線光刻機。相信目前全網都沒有這麼詳細的介紹。

一、潛力無限的X射線光刻機

嚴格來說,X射線光刻技術并不是什麼新概念,相關技術早在五十多年前就開始研發了,而且在很多領域已經有應用。但是傳統的X射線光刻技術無法取代紫外線光刻技術,更無法替代極紫外光刻技術。當然,如果只是玩概念的話,也可以認為X射線光刻技術目前已經是世界上最先進的光刻技術了。因為EUV光刻技術,換一個說法也叫軟X射線光刻技術。13.5nm的光,是紫外光與X光的交界處,你可以叫它極端紫外光,也可以叫它軟X射線。

今天我們要說的不是軟X射線,而是波長更短的X射線。從物理光學角度來說,光的波長越短,分辨率越高。所以,你會發現,光刻機的升級換代歷史,也伴隨著光源波長的越來越短。早先使用365nm的汞光源,后來用248nm的KrF準分子激光,再后來用193nm的ArF準分子激光,現在用13.5nm的極紫外激光。比極紫外激光波長更短的是X射線,可以達到10nm到0.01nm,也就是10pm。理論上X光的分辨率能達到波長水平,也就是說X光可以直接實現納米級甚至皮米級的分辨率。這樣算起來,X射線光刻機的潛力無限啊。

二、為啥一直沒有成為主流

理想是美好的,但是現實卻非常尷尬。正如前面所說,50多年來,X射線光刻機始終無法在芯片制造領域站穩腳跟。ASML作為世界上頂級的光刻巨頭,不可能不知道X光的優勢,為啥不去研發X射線光刻機呢?原因有很多,我們這里簡單說幾個比較重要的原因。

第一個原因。早期的X射線光刻機,使用的是接近式光刻技術。簡單點說就是,把掩膜板到目標物體上,X光透過掩膜版成像。這種方法非常簡單,簡單到直接發射出平行的X光來一照射就行了,就像我們在醫院拍X光片一樣簡單,中間不需要各種復雜的透鏡、反光鏡之類的設施。如果這種方法可行的話,光刻機的生產成本將大大降低,芯片的生產成本也會大大降低。

但是,這種光刻機的掩膜板卻注定無法適應現代的芯片工業。有四個缺點:

首先,效率低。大家都能看到,EUV光刻機里高速運轉的光刻系統,芯片生產效率非常高。如果把掩膜板貼到硅片上面,貼合的距離、力度都非常講究,一旦需要切換的時候,效率將大大降低。

其次,壽命短。其實最早的光刻機也是使用貼近式掩膜板的,不僅效率低,掩膜板壽命也非常低,因為安裝和使用的過程中特別容易變形或損壞,掩膜版生產成本本身就高,如果壽命低的話非常不劃算。

再次,生產難。貼近式的掩磨板都是1:1的圖案,相對于現在主流的放大式掩膜板來說,1:1研磨板生產難度非常大。尤其是現在的生產工藝已經達到幾納米的水平,掩膜板上雕刻幾納米精度的圖案,難度還是極大的。

最后,易變形。X光幾乎可以被任何物質吸收,吸收后,會給對方帶來破壞,也會把對方加熱。簡單點說,根據熱脹冷縮的道理,掩膜版上的圖案越精細,被X光長期照射,失真越嚴重。

這麼多毛病放在這里,使用貼近式掩膜版的X射線光刻,注定難以翻身。所以,這次俄羅斯提出來的X射線光刻機的方案是無掩膜光刻。

第二個原因。跟現在主流的光刻機一樣,要想能生產出合格的X射線光刻機,必須要有合適的光源。光源最重要的一個性能就是功率必須足夠高,如果功率不高,光不亮,就需要長時間照射才能完成曝光,從而大大影響生產效率,曝光精度也難以保證。當初ASML之所以能戰勝日本公司,率先推出EUV光刻機,最重要的原因就是拿到了美國生產的高功率光源。如果沒有合適的光源,極紫外光刻機將無法取代深紫外光刻機。同樣,如果沒有合適的光源,X射線光刻機也一樣無法走向舞台。

俄羅斯的方案是使用同步輻射光源,功率完全不用擔心,甚至比極紫外光刻機使用的功率高出不是一點半點,千倍萬倍都不止,完全可以解鎖很多新技能。缺點是同步輻射光源的生產成本太高,更準確點說是建設成本太高,全世界能建設同步輻射光源的國家就沒有幾個,這東西根本不是某個公司可以批量生產的,都是國家支持的大工程。世界上比較發達的國家,才有實力建設同步輻射光源,像美國、日本、德國、法國、俄羅斯、中國等這些國家都建設了自己同步輻射光源。全中國只有北京、合肥和上海三個城市建設了同步輻射光源,而且一個城市也就一兩個。這樣的設施,先不說需要多少錢,光建設周期就需要五六年的時間。顯然不是ASML這樣的公司可以承擔的。

第三個原因。X射線跟幾乎所有物質都有反應,也能穿透幾乎所有物質。如果想生產一個像EUV光刻機一樣的設備,用什麼光學系統,也是個難題。雖然現在也能生產出可以匯聚X射線的透鏡了,但是如何保證光線精度,尤其是面對nm級別的圖案顯影時,難度不是一般的大。還是那句話,X光可以和任何物質反應,照射的過程中就把透鏡給加熱了,熱脹冷縮,透鏡或反光鏡輕微的變形,顯影的精度都會大打折扣。所以,俄羅斯雖然聲稱要研發X射線光刻機,也沒有把目標設定得太高,基本目標定在28nm工藝的水平,最終實現幾納米的水平。并沒有聲稱會達到X射線波長的水平。

正是因為上面這些原因,X射線光刻機雖然從理論上看潛力無限,但現實中一直沒有明顯的突破,也沒能走進芯片生產的舞台,往往在一些低精度的生產領域使用,甚至還趕不上普通的光刻機。

三、俄羅斯方案的優勢

那這次俄羅斯提出來的光刻機到底有什麼優勢呢?

第一個優勢,當然是光源的鳥槍換大炮。同步輻射光源,相對于傳統光源來說,簡直是神一般的存在。單從亮度來說,同步輻射光源的亮度是實驗室常用光源的百萬倍至千億倍。別說用來光刻,就算是拿塊石頭來,也能在幾秒之內拍出內部結構的三維照片。玩玉石的朋友應該聽說過賭石這個行當,有一句話叫一刀窮、一刀富。就是因為肉眼無法看到石頭內部,不知道里面有沒有玉,玉的成色如何。如果用超高功率的同步輻射光源來照射的話,還是可以看清楚石頭內部的。當然真正的同步輻射光源可沒有時間幫大家賭玉。

世界上科技比較發達的國家都建設了自己的同步輻射光源,最主要的原因就是其強大的功能和廣泛的應用。除了我們希望它能應用到光刻機上以外,在物理學、材料科學、生物學、醫學、化學、環境等領域具有不可替代的作用。國家的很多重大科研,都需要用到這樣的設施。尤其是高精尖領域的材料研發,有了同步輻射光源的協助,可以事半功倍。航空、航天等領域各種先進材料的攻克,只是時間問題。說句實在話,如果用同步輻射光源來制造光刻機,真有點大材小用了。

但是,如果把光刻技術看成是不計成本要攻克的卡脖子技術的話,用上同步輻射光源也無可厚非。同步輻射光源除了強度高以外,光線平行性是其他常用光源無法比擬的,用在光刻機上,簡直是可遇而不可求的。另外,同步輻射光源可以發射幾乎任何波長的光,從紅外光一直到硬X射線,都毫無障礙。生產出來的光線純度甚至超過任何其他常見光源。就連EUV光刻機早先也差點走向同步輻射光源的方案。未來如果用同步輻射光源來提供光的話,ASML的極紫外光刻機性能還可以大幅度提升。只是成本需要特別考慮。

一旦使用同步輻射光源來做光刻機的話,光刻機就不能往全世界任何地點發貨了,必須圍著光源來使用。比如中國只能在北京、上海、合肥三個地方建設使用同步輻射光源的芯片工廠,因為目前只有這三個地方才有同步輻射光源。

俄羅斯規劃的光刻機,第二個優勢是無掩膜技術。我們前面已經提到了X射線掩膜板的缺點,如果可以不用掩膜板,就可以減少很多麻煩。但是俄羅斯究竟怎樣做到不使用掩膜板,并沒有介紹。我大概了解了一下相關領域,無掩膜光刻技術,目前主要在生物芯片制造、電路板生產、光學器件生產以及顯示器生產等領域,這些領域對成像精度的要求都不高,直接在芯片生產領域使用的無掩膜技術目前還沒有實用化。如果俄羅斯能做到,確實是世界上首創的。

所謂無掩膜光刻技術,其實并不是不用掩膜,而是使用數字掩膜。簡單點說,就是通過電腦控制某一個中間設備,也叫數字微鏡,通過電腦程序實時調整成像圖案。比如可以在光路中間放上一個反光鏡,這個反光鏡是由無數微小的反光鏡拼裝出來的,電腦可以控制每一個小反光鏡改變方向,從而可以隨時改變要顯示的圖案。這樣的話,不僅省掉了昂貴的掩膜版,而且還可以提高生產效率。但是目前這項技術主要用在微米級分辨率的場景,一旦在納米級分辨率上使用,難度將大大提高。當然直寫式光刻也算是無掩膜光刻,一般在電子束光刻中應用比較多。

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