突破光刻機“卡脖子”到底難在哪？

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導語：最近清華大學SSMB同步輻射EUV光源的熱度相當高，很多人都以為中國已經解決了光刻機中最核心的光源技術，就可以彎道超車，打臉ASML。那么事實真的如此嗎？

一、2年前發(fā)表的SSMB論文突然火了

2021年2月25日，清華大學工程物理系的唐傳祥教授的研究組與來自德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心(HZB)，以及德國聯(lián)邦物理技術研究院（PTB）的合作團隊在《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實驗演示”的研究論文。報告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束” （Steady-state microbunching，SSMB）的首個原理驗證實驗。

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年由斯坦福大學教授、清華大學杰出訪問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、美等國家的科研人員，成立了國際SSMB研究組，開始推動包括SSMB原理驗證實驗在內的各項研究。唐傳祥研究組主導完成了實驗的理論分析和物理設計，并開發(fā)測試實驗的激光系統(tǒng)，與合作單位進行實驗，并完成了實驗數(shù)據(jù)分析與文章撰寫。

SSMB這個技術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)場景。其中就包括了EUV（極深紫外線）光刻機所需要的13.5nm的波長的極紫外光。

“SSMB光源的潛在應用之一是作為未來EUV光刻機的光源，這是國際社會高度關注清華大學SSMB研究的重要原因。”唐傳祥教授說

二、 光源是光刻機的基礎組件

光刻機演進是隨著光源改進和工藝創(chuàng)新而不斷發(fā)展的，其實并非ASML制造的每個光刻系統(tǒng)都采用EUV設備，截至目前，DUV（深紫外線）仍然是半導體行業(yè)的主力設備之一。為什么光刻機所用的光源波長越來越短？

1.光刻機到底需要什么樣的光？

光刻分辨率是光刻曝光系統(tǒng)最重要的技術指標之一，為了實現(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或提高數(shù)值孔徑。換句話說，短波長光源、大數(shù)值孔徑透鏡是提高光刻機曝光分辨力的最有效方法！

光刻機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的光源波長為13.5nm，但最先進DUV的光源波只有193nm，較長的波長使DUV無法實現(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涵蓋了大部分數(shù)字芯片和幾乎所有的模擬芯片。然而，隨著先進制程向5nm及以下先進制程進化，EUV成為了剛需。

2.SSMB為什么是EUV光刻機的潛在光源之一？

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

《自然》SSMB原理驗證實驗示意圖

藍色的是存儲環(huán)，含有大量的被加速到很快的電子束。會周期性的經過波蕩器產生同步輻射，而這個波蕩器中，會有一個激光來調制電子束，可以進行縱向的聚焦，從而讓電子束的長度小于縱向相干長度，提升相干性。

而經過激光調制后，會經過一個色散結對電子束的能量進行分組，讓不同能量的電子沿著不同的路徑移動，于是就形成了所謂的微聚束，這樣的微聚束結構，就可以用來生產高相關性的輻射光。

根據(jù)論文報告基于SSMB的EUV光源有望實現(xiàn)大的平均功率，這個光源脈沖穩(wěn)定光束比較小，并具備向更短波長擴展的潛力，而且波長相關性好。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加速電子形成環(huán)形電流，在環(huán)形電流的切線方向產生同步輻射的電磁波。電流越大，電磁波強度越大，還可以根據(jù)需要來調整或者選擇電磁波的波長，能量準直性。

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)在光刻機最短波長EUV極紫外光波長還要短，能量更高，準直性也更好，能夠更好的聚焦能量。

高能同步輻射光源實驗室我國可不缺，中國目前分別在北京、合肥，上海建成的有3臺同步輻射光源實驗室，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做光刻機光源，是不是就可以突破光刻機“卡脖子”了？

三、 國產高端光刻機“卡脖子”難題并不是光源

根據(jù)對外的公開報道，其實很久以來北京和合肥的同步輻射儀器上都有專門的光刻實驗線站，在做專項研究。武漢在建的同步輻射線站在設計之初就已經把極紫外光刻實驗站納入了規(guī)劃。

北京同步輻射光束實驗站中就有光刻機實驗線站

在國外俄羅斯也曾經嘗試過利用同步輻射提供光刻機光源， 2022年莫斯科電子技術學院與工業(yè)跟貿易部簽訂了價值6.7億盧布大概約780萬美元的合同。用于開發(fā)基于同步加速器和等離子體源的無掩膜X射線光刻機。另外英特爾從10年前就一直在做這方面的基礎研發(fā)。

SSMB-EUV從光刻機的角度講，并沒有實際應用于半導體的光刻驗證，依然處于這個早期的發(fā)展階段。只能理解比較有潛力作為EUV光源的一種方案。

光刻機光源工作原理示意圖

EUV光源分為兩種，通過紫外線產生方式的不同，分為LPP 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，產生高溫等離子體然后產生13.5nm波長的EUV光源，然后經過一系列的復雜的光路聚焦和引導，就可以用來給光刻膠曝光。

DPP EUV是通過在高壓下產生等離子體。當洛倫茲力收縮等離子體時,等離子體被加熱,產生EUV光。

?通俗來說區(qū)別是，DPP靠發(fā)電、LPP靠發(fā)熱

哈工大的可調諧激光技術實驗室經過10多年在光源領域的研究，已經研發(fā)出大功率的DPP EUV極紫外光源。目前DPP EUV是ASML的EUV光刻機所采用的光源。

哈工大發(fā)表的EUV光源相關論文

根據(jù)哈工大新聞網的公開消息，2022年底舉辦的世界光子大會上，哈工大學研發(fā)的“高速超精密激光干涉儀”榮獲首屆“金燧獎”，并且該項目已實現(xiàn)了小批量生產。超精密激光干涉儀是為納米計量測試提供核心儀器，可以對晶圓、物鏡系統(tǒng)、工作臺位置的超精準定位，為我國高端光刻機研發(fā)提供嵌入式在線測量手段。

綜合來看我國至少國產高端光刻機卡脖子的地方其實并不在光源。

四、國產光刻機實現(xiàn)突破到底難在哪？

ASML的光刻機靠著沉浸式及雙機臺等技術和美國的支持，2006年打敗了佳能、尼康成為目前世界上唯一的EUV光刻機供應商，截止至2022年底，ASML一共才出貨182臺EUV光刻機，每臺售價超過1億美元。

EUV光刻機原理

而其實EUV光刻機的工作原理并不算復雜，就是將非常窄的光束照射到經過“光刻膠”化學品處理的硅晶片上，在光線與化學品接觸的晶片上形成復雜的圖案，這些圖案是事先精心設計好的。這個形成所有重要晶體管的過程被稱為光刻。

這個過程說起來很簡單，實際上超級復雜，在指甲蓋大小的晶圓上安裝數(shù)以億計的晶體管，要想將這些晶體管連接起來，只能采用納米級的電路。

光刻機光學組建原理示意圖

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

要構建一臺光刻機，難的不是任何一個環(huán)節(jié)，而是整臺機器、所有零件、所有環(huán)節(jié)，全部都要達到納米級精度。光刻機其實是一整套完整的納米工業(yè)。精密光學元器件，精密控制都需要精密機床高精度加工。最先進的EUV光刻機有10萬個零部件，分別來自于全球5000家供應商，供應鏈非常長。

光刻機的產出是納米級的芯片，但在它背后，動力系統(tǒng)、測量系統(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化工方面的突破。

結語：納米級的工業(yè)體系短期之內是急不出的。新技術的突破從設想到與實驗室環(huán)節(jié)，再到量產都需要時間，科研存在風險變數(shù)也屬正常，所以只能腳踏實地，堅持在高端工業(yè)母機、高精度工業(yè)機器人、高端軸承，高端化工原料等方面的研發(fā)，相信EUV光刻機的全國產化只是時間的問題。

參考文獻：

[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，物理學報, 2022,71(15): 152901.

doi:10.7498/aps.71.20220486