與其在別人的規(guī)則下苦苦追趕，不如劃下自己的規(guī)則讓對(duì)手顫抖。
01
EUV光源到底哪難？
目前全球7nm及以下制程芯片，都離不開EUV（極紫外線）光刻機(jī)，其制造難度可想而知。
光源系統(tǒng)無疑是光刻機(jī)內(nèi)部最難造的部件。先介紹一個(gè)在光刻領(lǐng)域和摩爾定律同樣重要的公式“瑞利判據(jù)”：光源波長越小，光刻機(jī)分辨率就越高。
以光源波長劃分，最早的UV（紫外線）發(fā)展到DUV（深紫外線），再到目前最先進(jìn)的EUV，波長一路從400納米走到了13.5納米，分辨率也確實(shí)不斷迭代。
但是這個(gè)13.5納米波長的光源并不好找，研究人員在EUV誕生前的幾十年間嘗試了多種路線。以光源產(chǎn)生原理來劃分EUV路線，EUV光源可分為LPP（激光等離子體）、DPP（放電等離子體）、SR（同步輻射）、SRF-FEL（超導(dǎo)高重頻自由電子激光）、SSMB（穩(wěn)態(tài)微聚束）五種。
其中，LPP-EUV利用高功率的二氧化碳激光器，轟擊液態(tài)錫形成等離子體，從而產(chǎn)生EUV光源。相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，DPP光源都是和LPP光源同場競技的主要“選手”，但沒有真正步入應(yīng)用。
隨著半導(dǎo)體制程向1～3納米級(jí)挺近，EUV需要的光功率將達(dá)到千瓦量級(jí)，此時(shí)LPP-EUV光源的功率將遇到瓶頸，其余三種利用粒子加速器實(shí)現(xiàn)的光源可能會(huì)成為主流，但現(xiàn)在還是LPP為主流。
綜合成本、功率等各類商業(yè)考量，目前阿斯麥生產(chǎn)的EUV光刻機(jī)主要使用的還是LPP光源。
這套LPP-EUV光源系統(tǒng)的制造難點(diǎn)，和光源本身物理特性以及材料科學(xué)、工程實(shí)現(xiàn)等方面脫不開關(guān)系，要不怎么說它是“工業(yè)皇冠”呢？
舉個(gè)例子，僅僅是產(chǎn)生、有效輸出EUV光源就已經(jīng)讓研究員花盡心思。
EUV它并非自然存在，而是需人工制造的。其中，LPP造光的原理有點(diǎn)像用乒乓球去連續(xù)兩次擊打空中的蒼蠅，需要極高的精度和能量控制，如何維持穩(wěn)定性和功率是關(guān)鍵難點(diǎn)。
EUV光源系統(tǒng)想要作業(yè)，激光器要先發(fā)射出一道低能激光，去擊打以每秒250米速度自由下落的金屬錫滴——這些直徑僅20微米，比頭發(fā)還細(xì)3倍的錫滴，由噴射系統(tǒng)以每秒5萬顆的頻率射出。當(dāng)錫滴被壓扁成薄餅狀時(shí)，第二道高能激光要立刻打來，將錫滴轟成等離子體，并在激光離開時(shí)輻射釋放出EUV。
這個(gè)激光器制造難度相當(dāng)大，能量轉(zhuǎn)化率還低得離譜：從二氧化碳激光器輸入電能到最終輸出EUV光能，轉(zhuǎn)換效率最高只有5.5%，這還是經(jīng)歷了歷次迭代才有的水平，最初這個(gè)數(shù)據(jù)只有0.8%。目前，一臺(tái)EUV光刻機(jī)工作24小時(shí)，耗電量能達(dá)到恐怖的3萬度。
但是，轉(zhuǎn)化效率只是指電能轉(zhuǎn)化為EUV光能的比例，而功率則是實(shí)際輸出的EUV光功率——就是它讓LPP光源脫穎而出。
成本高又復(fù)雜的LPP光源之所以能被市場選中，正是因?yàn)槠漭敵龉β是『檬撬屑夹g(shù)路線中最高的?！爸挥泄庠垂β首銐虼螅拍芴岣吖饪虣C(jī)的吞吐量，晶圓廠的經(jīng)濟(jì)效益才會(huì)得到保障”，客戶想要，阿斯麥等企業(yè)自會(huì)投入研發(fā)。
此外，能用波長多少納米的光，決定權(quán)并不完全在于造出什么樣的EUV光源，還和光刻機(jī)能收集到什么樣的光源息息相關(guān)。
13.5納米的極紫外光特別容易被吸收，哪怕是空氣，所以傳統(tǒng)透鏡無法使用，必須用反射鏡；但反射率又低，還很容易發(fā)生衍射，這增加了復(fù)雜性。
阿斯麥的EUV光刻機(jī)中用的是十一面極高精度的鉬/硅反射鏡，每面反射鏡上面都有數(shù)十層鍍膜來保證它們既能提高對(duì)EUV的反射，還能吸收雜光。同時(shí)，每一層鍍膜只有幾納米厚，表面必須要達(dá)到極致的光滑潔凈，這對(duì)制造工藝要求極高。
02
國內(nèi)EUV也有關(guān)鍵突破
其實(shí)整個(gè)EUV光源系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，只要有高功率的激光器、高性能的噴射系統(tǒng)，再加上高效率的收集系統(tǒng)，就能攻克這一高端光刻機(jī)核心部件。
但從上面的簡單描述也能看出，光學(xué)設(shè)計(jì)方面就已經(jīng)是精益求精、追求極致，更別說還要有特定的工作環(huán)境、要解決發(fā)射系統(tǒng)污染等雜七雜八的各種難關(guān)。
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王向朝研究員曾經(jīng)指出，光刻機(jī)是“大系統(tǒng)、高精尖技術(shù)與工程極限高度融合的結(jié)晶”。那我國目前進(jìn)度如何？
能確定的是，國產(chǎn)光刻機(jī)已經(jīng)能突破28納米節(jié)點(diǎn)，但仍要依賴部分進(jìn)口組件，比如高端鏡頭鍍膜工藝仍然需要德國蔡司技術(shù)；其次就是穩(wěn)定性和量產(chǎn)一致性尚未達(dá)到國際一流水平。
至于EUV光源方面，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)其實(shí)也有一些關(guān)鍵突破。
比如我們上面提到的發(fā)射系統(tǒng)會(huì)造成污染，導(dǎo)致反射鏡產(chǎn)生損耗。那么貴的反射鏡當(dāng)然不能輕易作為耗材，所以必須有抗污染手段。
早在2020年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（下簡稱“上海光機(jī)所”）就申請(qǐng)了一個(gè)《基于等離子體約束的LPP-EUV光源系統(tǒng)》的專利，簡單來說就是通過電磁場或磁約束技術(shù)，來約束等離子體產(chǎn)生的碎片，我們?cè)诤司圩兗夹g(shù)中也看到過這種技術(shù)。
之后，上海光機(jī)所林楠研究員團(tuán)隊(duì)也有相關(guān)的論文發(fā)布，都是要解決EUV光源的穩(wěn)定性和功率瓶頸。雖然這都不代表我國已經(jīng)有了可以產(chǎn)業(yè)化的EUV光源系統(tǒng)，但至少說明我國在這個(gè)領(lǐng)域的研究一直在推進(jìn)，并且有了一定的成果。
習(xí)近平總書記在參加十四屆全國人大二次會(huì)議江蘇代表團(tuán)審議時(shí)提出：“要牢牢把握高質(zhì)量發(fā)展這個(gè)首要任務(wù)，因地制宜發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力?！毕胍獙?shí)現(xiàn)光刻機(jī)的自主可控，來支撐國內(nèi)汽車芯片、工業(yè)控制等領(lǐng)域的國產(chǎn)替代需求，仍然要持續(xù)的研發(fā)投入和產(chǎn)業(yè)協(xié)同。
033
日本
曾經(jīng)的光刻大佬，如何換道？
在光刻機(jī)領(lǐng)域還有一個(gè)略顯奇怪的“失意者”，那就是一向擅長光學(xué)技術(shù)和精密機(jī)械的日本。
作為一個(gè)光學(xué)大國，日本光學(xué)巨頭佳能和尼康是早早就進(jìn)入了光刻行業(yè)，當(dāng)它們倆家憑借日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起而處于行業(yè)頭部時(shí)，荷蘭的阿斯麥還是一個(gè)剛剛接盤飛利浦光刻業(yè)務(wù)的小公司；但是這個(gè)當(dāng)年不起眼的阿斯麥，卻能在幾十年后穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)光刻設(shè)備制造的頭把交椅，日本企業(yè)卻只能抓住部分零部件供應(yīng)或者在技術(shù)上另覓出路。
追本溯源，日本和阿斯麥幾乎是兩個(gè)發(fā)展思路。當(dāng)阿斯麥有諸多短板時(shí)，并沒有拘泥于本國甚至歐洲，而是不斷從外部“搖人”入局：光學(xué)鏡不行就找德國蔡司，光源系統(tǒng)就找美國供應(yīng)商Cymer……現(xiàn)在其EUV光刻機(jī)90%的零部件都不是荷蘭本土生產(chǎn)的，這也是阿斯麥全球布局的最佳成果展現(xiàn)。
而日本雖上下游產(chǎn)業(yè)完善，但還是有三個(gè)致命的阻礙。首先是投入不夠，日本政府、尼康等企業(yè)對(duì)光刻設(shè)備的投入并不大，一個(gè)要在乎國民反應(yīng)，一個(gè)要在乎股東情緒，沒一個(gè)敢像歐美EUV聯(lián)盟那樣大手筆持續(xù)投入。
其次就是路線選擇錯(cuò)誤，為了節(jié)省成本選擇了比較簡單的DPP-EUV路線，但商業(yè)化難度卻更高了；還有就是下游的支持不夠多，光專注日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還是比不上阿斯麥與臺(tái)積電、英特爾的深入合作，產(chǎn)線驗(yàn)證能更快得到結(jié)果進(jìn)而迭代。
日本現(xiàn)在除了在擁抱國際廠商外，還試圖換道超車，比如佳能研究二十幾年的“納米壓印”技術(shù)。納米壓印就是像蓋圖章一樣造芯片，相對(duì)于光刻機(jī)效率更高、精度更高、成本更低，目前已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)最小線寬14納米的圖案化，相當(dāng)于主流光刻機(jī)能做到的5納米制程芯片。
能做出來也不代表著規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，能不能和阿斯麥并駕齊驅(qū)還要再觀察，但至少說明，日本本土光刻機(jī)廠商也沒有放棄追趕。
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編輯｜張毅
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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯(lián)網(wǎng)新鮮事、電商生活、云計(jì)算、ICT領(lǐng)域、消費(fèi)電子，商業(yè)故事。《中國知網(wǎng)》每周全文收錄；中國科技報(bào)刊100強(qiáng)；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優(yōu)質(zhì)科技內(nèi)容創(chuàng)作者
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