光刻技术是在照相技术和平板印刷技术的基础上发展起来的半导体关键工艺技术。通俗的讲,集成电路制造就是要在几平方厘米的面积上,成批的制造出数以亿计的器件,而每个器件结构的复杂度相当高。光刻机的核心部件是一种比较特殊的光敏材料(光刻胶),能够在紫外线照射下发生化学反应,通过近紫外光、中紫外光、深紫外光、真空紫外光、极短紫外光、X-光等光源对光刻胶进行曝光,形成微小的图案。
光刻机制造一直以来由于科技门槛极高,使得很多科技领先的国家都望而却步。清华出具方案绕过光刻机直接到光刻厂的新闻,最近在网上传得沸沸扬扬。目前看来这些传闻的来源其实是清华大学物理系教授邓博士的一篇论文有关,其中有一节聊到了清华SSMB光源的话题。
当我们把零散的传闻信息整理后,就得到了一个十分精彩的故事。这个故事的主题就成为了清华打破了光刻机是一台机械的固有认知,放弃在受限的空间里实现精密控制的企图,转而用力大砖飞的土办法直接建立一个工厂大小的装置,并制造出了先进成品芯片。
如果这事是真的,能用光刻机四处卡脖子的阿斯麦肯定已经开始急眼,随着传闻的扩散,纷纷占领各个社交平台热搜榜,评论区更是引发了激烈讨论。据了解内情的网友曝光,这个项目正在雄安新区选址建厂,更有好事者发出了北京某处一个环形建筑的卫星照片,声称这就是清华光刻厂的位置。
后经居住在环形建筑附近的网友证实,实际上这是我国北京怀柔区在建的高能同步辐射光源。虽然和传说中的光刻厂所用的SSMB光刻技术稳态微聚束(Steady-state microbunching,SSMB)粒子加速器装置差不多,但在建的这个环形建筑的真正作用是利用超级X光研究物质结构,可以说和光刻厂的结构没有一点相同点。
传说中力大砖飞的方案真的能简单粗暴的,帮助我国实现半导体产业一举突破多年卡脖子的困境吗?首先我们先了解下传闻剑指阿斯麦的光刻厂到底为何物?要弄清楚这个问题,首要条件要弄明白光刻机是怎么把芯片制造出来的。
光刻机其实可以被简单理解成一台精度超高的胶片相机,前面已经有所提到。当我们手持相机按下拍照按键后,快门被打开,光线通过快门投射在底片上,使胶片表面的感光材料发生反应,就能得到一张含有图像信息的底片。
不过,虽然光刻的原理听着很简单,但要实现精确控制却不是易事。在过去数十年里,一直遵循着摩尔定律的半导体生产,在相同体积的集成电路上可容纳的晶体数量几乎每隔一两年就可以增加一倍,在每一次的集成难度提高的时候,实际上都会相应地抬高光刻技术要求,当然制造商们的技术肯定也需要紧随其后,需要更高精度的光刻方法。
那就要提到这个在ASML每个办公室的显眼位置都能看到的一个公式。等号左边的CD指的是分辨极限,其光学系统能在镜头上加工的最小线宽,数值越小,表示光刻机能制造的极限精度越高。等号右边的拉姆达、N、A1三个参数分别代表波长、数值孔径和工艺因子,其波长越小,能够分辨尺寸就越小,分辨率越高。
数字孔径越大,能够分辨的尺寸也越小,分辨率也越高,工艺因子越小,可分辨的尺寸越小,分辨率越高。可以看出,要获得更精确的光刻系统,可以走的路有三条,除了增大数值孔径和减小光刻工艺因子外只能再次减小波长了。自1980年光刻机问世后,基本就是围绕着这三个关键点不断迭代。
就如英特尔曾经在2016年发布的十纳米项目,就因为良率的问题一直延期用了好几年的14NM++。事情到了这个地步,继续在工艺上作文章就显得有点吃力。于是它们开始尝试另一条路,找到更小波长的光源。经过一番寻找后,波长仅为13.5纳米,比DUV短了15倍的EUV极深紫外光成了不错的选择。
目前绝大多数七纳米以下的芯片都采用EUV光源的光刻机制造(基于SSMB),现阶段人类能够实现产生极紫外光的方式总共有四种,同步辐射光源、自由电子激光、DPP(电激发)等离子体光源、LPP(激光激发)等离子体光源。目前唯一供应商ASML使用的正是激光激发,使用高能二氧化碳激光轰击液态金属锡,激发极紫外光。
在两次命中之后,锡的温度会被瞬间加温到接近五万度,成为等离子体,并释放出波长在13.5纳米的EUV光子喷枪,每秒大约释放5万个锡滴,在往复过程中,就能得到功率稳定的EUV光源了。当然仅EUV光源还远远不够,相比起DUV,波长更短的EUV是个很难伺候的主。
首先,EUV辐射几乎能被所有物质吸收,更不能渗透纯净水,就连气体在EUV波段中都会表现出强烈的吸收特性,因此EUV成像没有办法用DUV那样的浸入式方法提高精度,并且必须在真空中工作才能稳定工作。其次,在EUV波长范围中,几乎所有的光学材料都将变得不透明,所以不能使用老式光刻机采用的透镜方案,只能用反射式光学系统,这让整个系统的复杂度大大提高。
最后,伴随着精度的提升,EUV光刻机对光源的发射功率也提出了更为苛刻的要求。要想实现商用,所需的光源至少需要达到200到250瓦的功率,虽然这个数字听起来和民用电功率差不多,但经过上面这一番折腾,转化效率还是算得上惊人。要想发出达到这个标准的UV光,需要动用的激光功率动辄几千瓦,和前几年海军试射的电磁炮功率不相上下,种种限制下,要把EUV光源用的光刻机上,既不容易也不便宜。
目前唯一一套投入商用的EUV光源是Trumpf集团和阿斯麦联合研发了15年才得到的成果,而且中途阿斯麦因为技术问题差点放弃该项目,还是三星、台积电、英特尔纷纷下场,认购了大量阿斯麦的股份为其输血,才能让这根独苗带着摩尔定律的最后希望走到今天。
由于电子在运动时,是一个不断加速的过程,不同能量的电子束还能跑出不同波长的光,无论是要远红外、可见光、紫外线,还是EUV加速器中的粒子都会跑出来。于是清华开始研究如何利用这种优质光源。目前已经开发出了许多基于同步辐射光源的应用,但同步辐射光源产生了EUV光功率还是达不到EUV光和大规模量产的需求。清华的项目则是为生成大功率的EUV光源提供了一种新方案。
2010年,Ratner和Chao位科学家发现,电子束绕过加速器时,会受到磁场的作用,会形成微距束的精细微结构,接着再让这种微距束穿过激光,经激光和电子缠绕的相互作用,最后形成一种稳态排列,即稳态微距束。有了稳态微距束后,就能用加速器产生高功率的稳态光线。从2017年开始,清华大学就组建了专门的SSMB光源研究团队,针对EUV光刻对大功率EUV光源的需求,研究基于SSMB原理的EUV光源的物理及技术实现。
如果要把现有的同步辐射光源设施改造成所谓的光刻厂,基本上相当于重建。在清华的论文中也提到了要实现用SSMB方式获取稳定的光源,还有比如激光调制器啊、长脉冲注入系统、直线感应加速器等技术环节需要公关,并且需要配套比现有的同步辐射光源更高精度的磁铁和控制系统。至少目前这种理论还只是论文上的纸上谈兵,到可实现的级别,未必比LPP方案离我们更近。
早在1997年英特尔拉动AMD、摩托罗拉开始研究EUV,直至2006年才诞生第一台原型机,整整花了十年之久,甚至到几年前EUV光刻机能否商用,在半导体行业依旧是个开放性的问题,而且就算搞定了光源部份,也只是拿下了光刻机技术工业皇冠上的一颗明珠。作为人类有史以来最复杂的科技结晶,光刻技术就是个无比庞大的环节,除去光源,还有物镜系统、双工作台、光刻胶等等环节。
即使清华真的把光刻机变成了光刻厂,这些配套问题的解决也不再是一朝一夕。但面对刚经历的三年制裁里喘了口气,若在芯片战场上扳回一成的国产半导体而言,无论如何,这都不算是个坏消息,这次光刻厂传闻的出圈,也说明了广大人民群众对这个领域的关心和突破的喜闻乐见。不过光刻机毕竟是科学而不是玄学,或许在拥有些许技术这一切实现的可能还是有的,作为网络参与者的我们更应该理性地对待技术进步,不能痴迷于弯道超车故事的宏大叙事里。
对于我们大多数人来说,数学之所以难,它就难,难在不会就是不会。同理,作为真正的工业明珠,无论怎么绕路,都不可能绕出一条一步登天的捷径。如果我们在近几年能够看到一台国产的EUV光刻机,它是上海光机所的LPP-EUV或者是哈工大的DPP-EUV的可能性还是大得多。
通过网络上的信息不难看出,清华的稳态微距束方案真正的意义更多地是给国产光刻机多了一条腿走路。毕竟无论是SSMB、LPP、DPP能否最终实现芯片制造才是王道。至于谁能先实现EUV光刻机,还得期待各大高新科技企业最新公告。