突破光刻機(jī)“卡脖子”到底難在哪？

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導(dǎo)語(yǔ)：最近清華大學(xué)SSMB同步輻射EUV光源的熱度相當(dāng)高，很多人都以為中國(guó)已經(jīng)解決了光刻機(jī)中最核心的光源技術(shù)，就可以彎道超車，打臉ASML。那么事實(shí)真的如此嗎？

一、2年前發(fā)表的SSMB論文突然火了

2021年2月25日，清華大學(xué)工程物理系的唐傳祥教授的研究組與來(lái)自德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心(HZB)，以及德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）的合作團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實(shí)驗(yàn)演示”的研究論文。報(bào)告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束” （Steady-state microbunching，SSMB）的首個(gè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2021年清華唐傳祥研究組在《自然》發(fā)表的SSMB論文

SSMB概念是2010年由斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)杰出訪問(wèn)教授趙午與其博士生Daniel Ratner提出。

2017年唐傳祥與趙午牽頭聯(lián)合中、德、美等國(guó)家的科研人員，成立了國(guó)際SSMB研究組，開(kāi)始推動(dòng)包括SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的各項(xiàng)研究。唐傳祥研究組主導(dǎo)完成了實(shí)驗(yàn)的理論分析和物理設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的激光系統(tǒng)，與合作單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與文章撰寫。

SSMB這個(gè)技術(shù)可以用于制備各種大功率窄帶寬的相干輻射光，可用于科研或者工業(yè)場(chǎng)景。其中就包括了EUV（極深紫外線）光刻機(jī)所需要的13.5nm的波長(zhǎng)的極紫外光。

“SSMB光源的潛在應(yīng)用之一是作為未來(lái)EUV光刻機(jī)的光源，這是國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注清華大學(xué)SSMB研究的重要原因。”唐傳祥教授說(shuō)

二、 光源是光刻機(jī)的基礎(chǔ)組件

光刻機(jī)演進(jìn)是隨著光源改進(jìn)和工藝創(chuàng)新而不斷發(fā)展的，其實(shí)并非ASML制造的每個(gè)光刻系統(tǒng)都采用EUV設(shè)備，截至目前，DUV（深紫外線）仍然是半導(dǎo)體行業(yè)的主力設(shè)備之一。為什么光刻機(jī)所用的光源波長(zhǎng)越來(lái)越短？

1.光刻機(jī)到底需要什么樣的光？

光刻分辨率是光刻曝光系統(tǒng)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，為了實(shí)現(xiàn)更精確的光刻，就必須要提高分辨率，那就只有兩種方法，分別是減少光源波長(zhǎng)或提高數(shù)值孔徑。換句話說(shuō)，短波長(zhǎng)光源、大數(shù)值孔徑透鏡是提高光刻機(jī)曝光分辨力的最有效方法！

光刻機(jī)曝光刻蝕原理示意圖

DUV（深紫外線）和EUV（極深紫外線）最大的區(qū)別在光源方案。EUV的光源波長(zhǎng)為13.5nm，但最先進(jìn)DUV的光源波只有193nm，較長(zhǎng)的波長(zhǎng)使DUV無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。DUV涵蓋了大部分?jǐn)?shù)字芯片和幾乎所有的模擬芯片。然而，隨著先進(jìn)制程向5nm及以下先進(jìn)制程進(jìn)化，EUV成為了剛需。

2.SSMB為什么是EUV光刻機(jī)的潛在光源之一？

SSMB全稱是穩(wěn)態(tài)微聚束，是一種加速器光源，光刻機(jī)就需要這樣的高質(zhì)量的輻射光，而加速器光源就可以產(chǎn)生這種高質(zhì)量的輻射光。依靠的是電子束在加速時(shí)發(fā)射出輻射，然后通過(guò)電磁手段來(lái)增強(qiáng)輻射光的橫向和縱向相干性，以達(dá)到想要的光源效果。

《自然》SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖

藍(lán)色的是存儲(chǔ)環(huán)，含有大量的被加速到很快的電子束。會(huì)周期性的經(jīng)過(guò)波蕩器產(chǎn)生同步輻射，而這個(gè)波蕩器中，會(huì)有一個(gè)激光來(lái)調(diào)制電子束，可以進(jìn)行縱向的聚焦，從而讓電子束的長(zhǎng)度小于縱向相干長(zhǎng)度，提升相干性。

而經(jīng)過(guò)激光調(diào)制后，會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)色散結(jié)對(duì)電子束的能量進(jìn)行分組，讓不同能量的電子沿著不同的路徑移動(dòng)，于是就形成了所謂的微聚束，這樣的微聚束結(jié)構(gòu)，就可以用來(lái)生產(chǎn)高相關(guān)性的輻射光。

根據(jù)論文報(bào)告基于SSMB的EUV光源有望實(shí)現(xiàn)大的平均功率，這個(gè)光源脈沖穩(wěn)定光束比較小，并具備向更短波長(zhǎng)擴(kuò)展的潛力，而且波長(zhǎng)相關(guān)性好。為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路。

第三代同步輻射光源示意圖

同步輻射就是利用磁場(chǎng)加速電子形成環(huán)形電流，在環(huán)形電流的切線方向產(chǎn)生同步輻射的電磁波。電流越大，電磁波強(qiáng)度越大，還可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)整或者選擇電磁波的波長(zhǎng)，能量準(zhǔn)直性。

光波也屬于電磁波的一種，而且同步輻射一般還都是X射線，比現(xiàn)在光刻機(jī)最短波長(zhǎng)EUV極紫外光波長(zhǎng)還要短，能量更高，準(zhǔn)直性也更好，能夠更好的聚焦能量。

高能同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室我國(guó)可不缺，中國(guó)目前分別在北京、合肥，上海建成的有3臺(tái)同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室，武漢，深圳、還有北京懷柔都在建第四代同步輻射光源。

如果能用同步輻射來(lái)做光刻機(jī)光源，是不是就可以突破光刻機(jī)“卡脖子”了？

三、 國(guó)產(chǎn)高端光刻機(jī)“卡脖子”難題并不是光源

根據(jù)對(duì)外的公開(kāi)報(bào)道，其實(shí)很久以來(lái)北京和合肥的同步輻射儀器上都有專門的光刻實(shí)驗(yàn)線站，在做專項(xiàng)研究。武漢在建的同步輻射線站在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)把極紫外光刻實(shí)驗(yàn)站納入了規(guī)劃。

北京同步輻射光束實(shí)驗(yàn)站中就有光刻機(jī)實(shí)驗(yàn)線站

在國(guó)外俄羅斯也曾經(jīng)嘗試過(guò)利用同步輻射提供光刻機(jī)光源， 2022年莫斯科電子技術(shù)學(xué)院與工業(yè)跟貿(mào)易部簽訂了價(jià)值6.7億盧布大概約780萬(wàn)美元的合同。用于開(kāi)發(fā)基于同步加速器和等離子體源的無(wú)掩膜X射線光刻機(jī)。另外英特爾從10年前就一直在做這方面的基礎(chǔ)研發(fā)。

SSMB-EUV從光刻機(jī)的角度講，并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用于半導(dǎo)體的光刻驗(yàn)證，依然處于這個(gè)早期的發(fā)展階段。只能理解比較有潛力作為EUV光源的一種方案。

光刻機(jī)光源工作原理示意圖

EUV光源分為兩種，通過(guò)紫外線產(chǎn)生方式的不同，分為L(zhǎng)PP EUV光源與DPP EUV光源。

LPP EUV光源是采用40千瓦的紅外激光器轟擊液態(tài)錫靶，產(chǎn)生高溫等離子體然后產(chǎn)生13.5nm波長(zhǎng)的EUV光源，然后經(jīng)過(guò)一系列的復(fù)雜的光路聚焦和引導(dǎo)，就可以用來(lái)給光刻膠曝光。

DPP EUV是通過(guò)在高壓下產(chǎn)生等離子體。當(dāng)洛倫茲力收縮等離子體時(shí),等離子體被加熱,產(chǎn)生EUV光。

?通俗來(lái)說(shuō)區(qū)別是，DPP靠發(fā)電、LPP靠發(fā)熱

哈工大的可調(diào)諧激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)10多年在光源領(lǐng)域的研究，已經(jīng)研發(fā)出大功率的DPP EUV極紫外光源。目前DPP EUV是ASML的EUV光刻機(jī)所采用的光源。

哈工大發(fā)表的EUV光源相關(guān)論文

根據(jù)哈工大新聞網(wǎng)的公開(kāi)消息，2022年底舉辦的世界光子大會(huì)上，哈工大學(xué)研發(fā)的“高速超精密激光干涉儀”榮獲首屆“金燧獎(jiǎng)”，并且該項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。超精密激光干涉儀是為納米計(jì)量測(cè)試提供核心儀器，可以對(duì)晶圓、物鏡系統(tǒng)、工作臺(tái)位置的超精準(zhǔn)定位，為我國(guó)高端光刻機(jī)研發(fā)提供嵌入式在線測(cè)量手段。

綜合來(lái)看我國(guó)至少國(guó)產(chǎn)高端光刻機(jī)卡脖子的地方其實(shí)并不在光源。

四、國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)突破到底難在哪？

ASML的光刻機(jī)靠著沉浸式及雙機(jī)臺(tái)等技術(shù)和美國(guó)的支持，2006年打敗了佳能、尼康成為目前世界上唯一的EUV光刻機(jī)供應(yīng)商，截止至2022年底，ASML一共才出貨182臺(tái)EUV光刻機(jī)，每臺(tái)售價(jià)超過(guò)1億美元。

EUV光刻機(jī)原理

而其實(shí)EUV光刻機(jī)的工作原理并不算復(fù)雜，就是將非常窄的光束照射到經(jīng)過(guò)“光刻膠”化學(xué)品處理的硅晶片上，在光線與化學(xué)品接觸的晶片上形成復(fù)雜的圖案，這些圖案是事先精心設(shè)計(jì)好的。這個(gè)形成所有重要晶體管的過(guò)程被稱為光刻。

這個(gè)過(guò)程說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，實(shí)際上超級(jí)復(fù)雜，在指甲蓋大小的晶圓上安裝數(shù)以億計(jì)的晶體管，要想將這些晶體管連接起來(lái)，只能采用納米級(jí)的電路。

光刻機(jī)光學(xué)組建原理示意圖

高端制造業(yè)的本質(zhì)就是控制誤差，光刻機(jī)是納米級(jí)的精度，代表著全人類最先進(jìn)的工藝。

要構(gòu)建一臺(tái)光刻機(jī)，難的不是任何一個(gè)環(huán)節(jié)，而是整臺(tái)機(jī)器、所有零件、所有環(huán)節(jié)，全部都要達(dá)到納米級(jí)精度。光刻機(jī)其實(shí)是一整套完整的納米工業(yè)。精密光學(xué)元器件，精密控制都需要精密機(jī)床高精度加工。最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)有10萬(wàn)個(gè)零部件，分別來(lái)自于全球5000家供應(yīng)商，供應(yīng)鏈非常長(zhǎng)。

光刻機(jī)的產(chǎn)出是納米級(jí)的芯片，但在它背后，動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、避震系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、液壓光鏡材料，每一樣都需要納米精度。而光刻膠是需要精細(xì)化工方面的突破。

結(jié)語(yǔ)：納米級(jí)的工業(yè)體系短期之內(nèi)是急不出的。新技術(shù)的突破從設(shè)想到與實(shí)驗(yàn)室環(huán)節(jié)，再到量產(chǎn)都需要時(shí)間，科研存在風(fēng)險(xiǎn)變數(shù)也屬正常，所以只能腳踏實(shí)地，堅(jiān)持在高端工業(yè)母機(jī)、高精度工業(yè)機(jī)器人、高端軸承，高端化工原料等方面的研發(fā)，相信EUV光刻機(jī)的全國(guó)產(chǎn)化只是時(shí)間的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching，Naturevolume590,pages576–579 (2021)
[2]穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源，唐傳祥,鄧秀杰，物理學(xué)報(bào), 2022,71(15): 152901.

doi:10.7498/aps.71.20220486