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，其制造難度可想而知。

光源系統(tǒng)無疑是光刻機內(nèi)部最難造的部件。先介紹一個在光刻領(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），再到目前最先進的EUV，波長一路從400納米走到了13.5納米，分辨率也確實不斷迭代。

但是這個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。相當長一段時間內(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。

隨著半導體制程向1～3納米級挺近，EUV需要的光功率將達到千瓦量級，此時LPP-EUV光源的功率將遇到瓶頸，其余三種利用粒子加速器實現(xiàn)的光源可能會成為主流，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光刻機主要使用的還是LPP光源。

這套LPP-EUV光源系統(tǒng)的制造難點，和光源本身物理特性以及材料科學、工程實現(xiàn)等方面脫不開關(guān)系，要不怎么說它是“工業(yè)皇冠”呢？

EUV光源系統(tǒng)是光刻機最關(guān)鍵的部件

舉個例子，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。

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3倍的錫滴，由噴射系統(tǒng)以每秒5萬顆的頻率射出。當錫滴被壓扁成薄餅狀時，第二道高能激光要立刻打來，將錫滴轟成等離子體，并在激光離開時輻射釋放出EUV。

這個激光器制造難度相當大，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，最初這個數(shù)據(jù)只有0.8%。目前，一臺EUV光刻機工作24小時，耗電量能達到恐怖的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，而功率則是實際輸出的EUV光功率——就是它讓LPP光源脫穎而出。

成本高又復雜的LPP光源之所以能被市場選中，正是因為其輸出功率恰好是所有技術(shù)路線中最高的。“只有光源功率足夠大，才能提高光刻機的吞吐量，晶圓廠的經(jīng)濟效益才會得到保障”，客戶想要，阿斯麥等企業(yè)自會投入研發(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，這增加了復雜性。

阿斯麥的EUV光刻機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EUV的反射，還能吸收雜光。同時，每一層鍍膜只有幾納米厚，表面必須要達到極致的光滑潔凈，這對制造工藝要求極高。

02

國內(nèi)EUV也有關(guān)鍵突破

其實整個EUV光源系統(tǒng)的原理并不復雜，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核心部件。

但從上面的簡單描述也能看出，光學設(shè)計方面就已經(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)。

中國科學院上海光學精密機械研究所王向朝研究員曾經(jīng)指出，光刻機是“大系統(tǒng)、高精尖技術(shù)與工程極限高度融合的結(jié)晶”。那我國目前進度如何？

能確定的是，國產(chǎn)光刻機已經(jīng)能突破28納米節(jié)點，但仍要依賴部分進口組件，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)一致性尚未達到國際一流水平。

至于EUV光源方面，國內(nèi)研究機構(gòu)其實也有一些關(guān)鍵突破。

比如我們上面提到的發(fā)射系統(tǒng)會造成污染，導致反射鏡產(chǎn)生損耗。那么貴的反射鏡當然不能輕易作為耗材，所以必須有抗污染手段。

早在2020年，中國科學院上海光學精密機械研究所（下簡稱“上海光機所”）就申請了一個《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，我們在核聚變技術(shù)中也看到過這種技術(shù)。

之后，上海光機所林楠研究員團隊也有相關(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領(lǐng)域的研究一直在推進，并且有了一定的成果。

習近平總書記在參加十四屆全國人大二次會議江蘇代表團審議時提出：“要牢牢把握高質(zhì)量發(fā)展這個首要任務(wù)，因地制宜發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。”想要實現(xiàn)光刻機的自主可控，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？

在光刻機領(lǐng)域還有一個略顯奇怪的“失意者”，那就是一向擅長光學技術(shù)和精密機械的日本。

作為一個光學大國，日本光學巨頭佳能和尼康是早早就進入了光刻行業(yè)，當它們倆家憑借日本半導體產(chǎn)業(yè)崛起而處于行業(yè)頭部時，荷蘭的阿斯麥還是一個剛剛接盤飛利浦光刻業(yè)務(wù)的小公司；但是這個當年不起眼的阿斯麥，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。

阿斯麥只負責設(shè)計和組裝

追本溯源，日本和阿斯麥幾乎是兩個發(fā)展思路。當阿斯麥有諸多短板時，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，但還是有三個致命的阻礙。首先是投入不夠，日本政府、尼康等企業(yè)對光刻設(shè)備的投入并不大，一個要在乎國民反應(yīng)，一個要在乎股東情緒，沒一個敢像歐美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，光專注日本的半導體產(chǎn)業(yè)還是比不上阿斯麥與臺積電、英特爾的深入合作，產(chǎn)線驗證能更快得到結(jié)果進而迭代。

日本嘗試以納米壓印技術(shù)換道超車

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，相對于光刻機效率更高、精度更高、成本更低，目前已經(jīng)能實現(xiàn)最小線寬14納米的圖案化，相當于主流光刻機能做到的5納米制程芯片。

能做出來也不代表著規(guī)模化、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，日本本土光刻機廠商也沒有放棄追趕。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

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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、云計算、ICT領(lǐng)域、消費電子，商業(yè)故事。《中國知網(wǎng)》每周全文收錄；中國科技報刊100強；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