北大連夜報(bào)喜！1納米芯片繞開(kāi)光刻機(jī)，中國(guó)換道超車(chē)，西方失算了

長(zhǎng)期以來(lái)，全球高端芯片制造被光刻機(jī)牢牢束縛，而頂級(jí)的EUV光刻機(jī)被荷蘭阿斯麥壟斷。

想要制造10納米以下的先進(jìn)芯片，幾乎離不開(kāi)EUV光刻機(jī)，而這種設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，還被西方層層封鎖。

在美國(guó)芯片法案的限制下，阿斯麥被禁止出口EUV機(jī)臺(tái)到中國(guó)，甚至連臺(tái)灣的EUV機(jī)臺(tái)內(nèi)都裝好了自動(dòng)鎖死裝置，做了最壞打算，讓中國(guó)即使清臺(tái)也無(wú)法竊取這項(xiàng)技術(shù)。

西方篤定，只要死死守住光刻機(jī)這道關(guān)，就能牢牢掌握芯片領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。

但到底為什么這臺(tái)機(jī)器全世界都搶著要？我們真的沒(méi)辦法打造另一間阿斯麥嗎？

做芯片的關(guān)鍵技術(shù)我們?cè)?957年就知道了。芯片本質(zhì)上就是在晶圓上堆材料，但每一層堆砌的材料都要透過(guò)蝕刻畫(huà)下圖案，再疊上下一層材料，反復(fù)進(jìn)行。為了確保芯片上的圖案正確，1957年，萊斯羅普發(fā)展了一套微影制程方法。

首先在晶圓上長(zhǎng)出你要的材料，接著涂上光阻劑。下一個(gè)關(guān)鍵步驟是曝光，你必須準(zhǔn)備好光罩，放在紫外光和你的芯片之間。光罩上方會(huì)有圖案阻擋紫外線穿過(guò)，那些沒(méi)有被阻擋的紫外光會(huì)讓光阻劑的化學(xué)特性產(chǎn)生變化。

以負(fù)光阻為例，照射到紫外光的光阻劑溶解度會(huì)因而改變，當(dāng)用溶劑沖洗的時(shí)候，這些部分會(huì)被留下來(lái)，而因?yàn)楣庹肿钃酢](méi)有照到紫外線的部分則會(huì)直接被沖洗掉。

最后放入氫氟酸或其他溶劑，那些沒(méi)有被光阻劑保護(hù)的地方就會(huì)被溶劑蝕刻，刻下你想要的圖案。到這邊一次微影制程完成了，你印上了第一層的圖案，接著只要重復(fù)一次次的循環(huán)，最后就可以在晶圓上蓋出立體的芯片。

當(dāng)我們想要做出更小的芯片，其中的關(guān)鍵是如何在光阻劑上留下更細(xì)小的圖案。過(guò)去只要將光罩的尺寸縮小，就能不斷造出縮小版的圖案。但是當(dāng)光罩小到一定程度的時(shí)候，繞射現(xiàn)象發(fā)生了。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)圖案的寬度小于半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，光波就會(huì)發(fā)生繞射現(xiàn)象——光波在經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)，不只會(huì)筆直前進(jìn)，還會(huì)在轉(zhuǎn)角處轉(zhuǎn)彎，刻出錯(cuò)誤的圖案。也就是說(shuō)，雖然光罩可以不斷縮小，但如果要確保圖案的正確性，每個(gè)結(jié)構(gòu)的大小都無(wú)法小于曝光光源的半個(gè)波長(zhǎng)以下。

例如在2000年初期，當(dāng)時(shí)使用的光源是雷射，雷射的波長(zhǎng)已經(jīng)從深紫外線的248nm縮短為193奈米。193奈米的光源要應(yīng)付現(xiàn)在7奈米以下的制程，絕對(duì)是力不從心。

為了繞過(guò)這個(gè)物理極限，科學(xué)家嘗試透過(guò)各種方法來(lái)克服。例如浸潤(rùn)式蝕刻或是多重曝光。浸潤(rùn)式蝕刻指的是在光源和芯片之間涂上一層水或其他液體，改善光學(xué)路徑，這有點(diǎn)像我們?cè)谑褂酶弑讹@微鏡的時(shí)候會(huì)在鏡頭和樣本之間滴上一滴鏡油。

多重曝光指的則是將一個(gè)圖案分成多次拍攝，例如如果有六條線123456要曝光，可以分為兩次，第一次拍135，第二次拍246，如此增加線與線之間的間距，就能盡可能減少繞射的發(fā)生。

這些方法統(tǒng)稱(chēng)為解析度增強(qiáng)技術(shù)（RET），希望在波長(zhǎng)不變的情況下，透過(guò)重新設(shè)計(jì)，拍出解析度更高的圖案。

除此之外，因?yàn)槔@射產(chǎn)生時(shí)紫外線會(huì)隨著光罩與芯片距離增加、偏移越來(lái)越嚴(yán)重，1970年代也有人直接將光罩放在晶圓上與光阻劑直接接觸，以減少光罩與表面的距離。

但是這種方法在曝光結(jié)束、光罩被提起來(lái)的時(shí)候，通常會(huì)沾黏光阻劑并損壞晶圓，最后這個(gè)方案作廢，而是改為發(fā)展對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，通過(guò)精密設(shè)備幫助我們細(xì)調(diào)光罩與芯片的距離等各項(xiàng)參數(shù)，借此減少繞射現(xiàn)象。

在這些改進(jìn)之下，雖然當(dāng)時(shí)曝光的光源是193nm的深紫外線雷射，我們竟然還是一路挺進(jìn)到7nm的制程節(jié)點(diǎn)。不過(guò)到了7nm以下，DUV終究遇到了瓶頸，科學(xué)家終究還是要往更小的波長(zhǎng)曝光邁進(jìn)。

改用短波長(zhǎng)并非易事。例如光線必須透過(guò)透鏡來(lái)聚焦，但一般的玻璃透鏡會(huì)吸收短波長(zhǎng)的紫外線，波長(zhǎng)185nm以下的紫外線甚至?xí)豢諝馕眨虼苏麄€(gè)微影過(guò)程必須在真空當(dāng)中進(jìn)行。困難的不只這些。

此時(shí)終于有人下定決心，要從193nm以下直接跳進(jìn)到波長(zhǎng)十分之一不到、只有13.5奈米的極紫外光（EUV）開(kāi)發(fā)。而這個(gè)耗費(fèi)30年時(shí)光、數(shù)十億美元開(kāi)發(fā)，至今全球也只有一間公司達(dá)成的偉大征途，就此展開(kāi)了。

微影制程設(shè)備商的領(lǐng)頭羊不斷換人做。從萊斯羅普發(fā)明這套技術(shù)以來(lái)，德州儀器、柏金埃爾默、GCA，到1980年代的Nikon跟Canon，先后成為不同年代的關(guān)鍵廠商。最后在關(guān)鍵的1990年代，新的挑戰(zhàn)者阿斯麥出現(xiàn)了，Nikon、Canon跟阿斯麥成為競(jìng)爭(zhēng)微影設(shè)備市場(chǎng)的三巨頭。

而Intel的一個(gè)決定打破了三足鼎立的局勢(shì)。當(dāng)時(shí)的Intel跟美國(guó)政府主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為，日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，甚至許多原本屬于美國(guó)的業(yè)務(wù)都被日本搶走了，如果真的要投資設(shè)備商，應(yīng)該就要選擇較為中立的荷蘭廠商。

因此Intel決定與阿斯麥牽手，開(kāi)啟三十年的漫長(zhǎng)研發(fā)合作。雖然這項(xiàng)任務(wù)耗費(fèi)的時(shí)間、財(cái)力、精力都無(wú)比巨大，但巨額的投資也注定讓阿斯麥在三十年后站上無(wú)可撼動(dòng)的微影制程龍頭地位。

Intel希望阿斯麥能開(kāi)發(fā)出13.5奈米的極紫外光EUV設(shè)備，好應(yīng)付未來(lái)更小的制程節(jié)點(diǎn)。

但光是要怎么制造穩(wěn)定的13.5奈米光源就是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀冋也坏揭粋€(gè)雷射管或電燈泡可以直接發(fā)出13.5奈米的光。要發(fā)出EUV必須制造高能電漿，做法是用高強(qiáng)度的雷射打在標(biāo)靶上，讓標(biāo)靶瞬間產(chǎn)生高能電漿并放出EUV。

這項(xiàng)用電漿制造EUV的任務(wù)，阿斯麥找了另一間雷射公司西蒙來(lái)完成。西蒙必須設(shè)計(jì)一套流程，利用二氧化碳雷射轟擊金屬錫來(lái)制造EUV。這個(gè)流程絕對(duì)比點(diǎn)亮一顆燈泡要困難許多。

首先金屬錫要先化為一顆顆直徑30微米的小錫滴，并且通過(guò)發(fā)射裝置以時(shí)速300公里的速度快速穿過(guò)真空的腔室。

接著要用高功率二氧化碳雷射連續(xù)命中同一顆小錫滴兩次：第一次的雷射負(fù)責(zé)加熱小錫滴讓它膨脹，第二次則會(huì)把它加熱到攝氏22萬(wàn)度，形成一團(tuán)滾燙的電漿，比太陽(yáng)表面的溫度還要高40倍。

這樣這團(tuán)高溫電漿就會(huì)輻射出短波長(zhǎng)的紫外線，也就是EUV。但這也只是一個(gè)短短的EUV脈沖，如果要確保機(jī)臺(tái)穩(wěn)定產(chǎn)生EUV，這個(gè)過(guò)程需要每秒重復(fù)完成5萬(wàn)次。

要完成這套轟擊設(shè)備，上面說(shuō)的大概只能算1%的困難度。例如光是要造出這套雷射，西蒙就找上了另一間雷射公司川普。川普花了10年打造這套雷射，最后每座雷射發(fā)射器竟然都需要使用超過(guò)45萬(wàn)個(gè)零件。

原來(lái)當(dāng)雷射照射小錫滴之后，錫會(huì)被雷射轟擊成殘?jiān)绊懞罄m(xù)EUV的產(chǎn)生，因此小錫滴必然需要快速移動(dòng)，并且精準(zhǔn)地控制雷射命中的次數(shù)，讓新的小錫滴能不斷進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)，穩(wěn)定產(chǎn)生EUV光線。

題外話，除了錫之外，當(dāng)時(shí)他們也考慮過(guò)其他元素，例如能發(fā)出波長(zhǎng)更短、只有11nm EUV的氙電漿，但是氙發(fā)出來(lái)的EUV強(qiáng)度不夠，錫還是首選。

講到這里也只解決了一半的問(wèn)題，因?yàn)榫腿缤形⒂爸瞥桃粯樱堑拦庾罱K需要通過(guò)一連串的鏡片組照射到芯片上。這部分最大的挑戰(zhàn)就是EUV很容易被其他物質(zhì)吸收。為了避免EUV跟空氣反應(yīng)而把環(huán)境抽成真空，大概是其中最簡(jiǎn)單的步驟，因?yàn)檫B鏡片本身都會(huì)吸收EUV。

來(lái)自德國(guó)的光學(xué)鏡片龍頭公司蔡司承接下了這項(xiàng)任務(wù)。首先他們必須排除使用透鏡折射對(duì)焦的方式，因?yàn)镋UV只要穿過(guò)鏡片就會(huì)因?yàn)楸晃斩蠓ト酰虼薊UV機(jī)臺(tái)當(dāng)中是全部由反射鏡組成的全反射式系統(tǒng)。但雖然改成了反射式，還是要解決EUV會(huì)被吸收的問(wèn)題。

最后蔡司在鏡片上鍍上鉬和硅兩種薄膜，這兩種材料互相交疊數(shù)十到一百次，這種構(gòu)造稱(chēng)為布拉格反射鏡。當(dāng)光線在不同折射率的材料中前進(jìn)，這個(gè)構(gòu)造能創(chuàng)造更多的反射與建設(shè)性干涉，提高反射率。做法是有，但這項(xiàng)任務(wù)實(shí)際上還是極難達(dá)成。

為了讓EUV能精準(zhǔn)地照在目標(biāo)位置，這些鏡片必須非常平整。有多平整？如果把鏡片等比例放大到臺(tái)灣那么大，那么鏡片上的瑕疵起伏高度只能容許在1%毫米之下，差不多是一根頭發(fā)的寬度。

而光線聚焦的精準(zhǔn)度，就等于你在地球上拿雷射筆去瞄準(zhǔn)月球上的一顆乒乓球。唯有這樣辛苦產(chǎn)生的EUV光，才能經(jīng)過(guò)多次反射聚焦，精準(zhǔn)穿過(guò)奈米級(jí)的光罩，落在光阻劑上。

Intel的光學(xué)微影執(zhí)行長(zhǎng)Mark Phillips就曾經(jīng)表示，EUV是人類(lèi)制造過(guò)最精密的儀器，可以說(shuō)是人類(lèi)科技力的極致展現(xiàn)。

要及時(shí)控制、校正這些不容一絲誤差的鏡片組、光罩與曝光平臺(tái)的連動(dòng)，就需要搭配超高精度的感測(cè)器，像是利用電容式位移計(jì)、電感式渦電流位移計(jì)，或是透過(guò)光學(xué)式設(shè)備如彩色共焦位移計(jì)或白光干涉儀。

這些不同量測(cè)原理的感測(cè)器都能對(duì)應(yīng)不同的量測(cè)情境與材質(zhì)，達(dá)到亞奈米級(jí)的精度，是許多半導(dǎo)體等精密工業(yè)設(shè)備的核心測(cè)量力器。

而在EUV里頭，許多的感測(cè)器就是交給德國(guó)米一（Micro Epsilon）客制開(kāi)發(fā)。除了在業(yè)界廣為人知的彩色共焦技術(shù)，還有其他光學(xué)與非光學(xué)等方式多路監(jiān)測(cè)EUV這部精密巨獸。

例如當(dāng)介質(zhì)些微移動(dòng)，電容位移計(jì)就能通過(guò)介電質(zhì)的變化來(lái)量測(cè)位移。實(shí)際上一臺(tái)EUV里面就有將近1000顆來(lái)自米一的感測(cè)器。

在曝光機(jī)中需要校準(zhǔn)的不只有鏡片組，還有放上去的光罩，如果擺放位置偏了一些，最后縮小轉(zhuǎn)映到晶圓上的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而影響后面的良率。畢竟現(xiàn)在的半導(dǎo)體已經(jīng)小到就算只差幾層原子就會(huì)影響很大。

此外，與光罩相對(duì)的晶圓的位置也很重要，因?yàn)槲覀儾豢赡苋ヒ苿?dòng)好不容易才校正好的EUV機(jī)臺(tái)，因此曝光時(shí)負(fù)責(zé)移動(dòng)的一定是晶圓。

EUV的雙弓型平臺(tái)能同時(shí)移動(dòng)兩片晶圓，一片進(jìn)行曝光，另一片則同時(shí)進(jìn)行量測(cè)，優(yōu)化精準(zhǔn)度。平臺(tái)能以六個(gè)自由度高速運(yùn)動(dòng)，這里要仰賴(lài)的感測(cè)器則是精準(zhǔn)到皮米級(jí)的渦電流位移計(jì)。

德國(guó)米一集團(tuán)看重臺(tái)灣市場(chǎng)，2022年在臺(tái)灣設(shè)立了子公司臺(tái)灣米一，為臺(tái)灣的半導(dǎo)體設(shè)備商提供更在地的服務(wù)。從一般的目錄標(biāo)準(zhǔn)品到針對(duì)客戶需求設(shè)計(jì)的客制品，為臺(tái)灣客戶提供超高精度的感測(cè)器解決方案。

透過(guò)與阿斯麥、蔡司等頂尖設(shè)備商的合作經(jīng)驗(yàn)，協(xié)助臺(tái)灣的本土半導(dǎo)體設(shè)備升級(jí)。所有設(shè)備供應(yīng)鏈里面的精密位移量測(cè)與定位任務(wù)都能看到米一感測(cè)器的身影，像是研磨設(shè)備、貼合設(shè)備、點(diǎn)焦機(jī)、高精度黏晶機(jī)、晶圓形貌量測(cè)設(shè)備等。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起，從芯片設(shè)計(jì)、芯片制造到設(shè)備商，如此密不可分、互助共榮。

回到EUV的誕生，歷史告訴我們蔡司跟西蒙都成功完成了他們的任務(wù)。阿斯麥從2006年成功制作出第一臺(tái)EUV樣機(jī)之后，從此獨(dú)霸市場(chǎng)一直到今天。

我們能看到另一間比肩阿斯麥的公司出現(xiàn)嗎？可能很難。這種規(guī)模的公司與無(wú)數(shù)技術(shù)的創(chuàng)新跟整合，是需要花費(fèi)數(shù)十年與數(shù)十億美元投資才能夠建立的。

那反過(guò)來(lái)我們?cè)摀?dān)心阿斯麥壟斷整個(gè)市場(chǎng)嗎？壟斷已經(jīng)是事實(shí)了，但是阿斯麥并不是單打獨(dú)斗的公司。看完前面的介紹我們就知道，EUV機(jī)臺(tái)的誕生還得歸功于許多企業(yè)與零件商的共同努力，尤其是打造錫滴轟擊設(shè)備的美國(guó)公司西蒙，和制作反光鏡的德國(guó)公司蔡司。

阿斯麥自己生產(chǎn)的零件只有15%，他們真正的關(guān)鍵技術(shù)是將這些零件組裝成一臺(tái)能運(yùn)作的EUV機(jī)臺(tái)。雖然阿斯麥后來(lái)收購(gòu)了西蒙，也入股了蔡司，但EUV絕非一間企業(yè)或一個(gè)國(guó)家就能獨(dú)自完成的。EUV就是一臺(tái)由多個(gè)國(guó)家與企業(yè)共同打造的工藝品。

當(dāng)所有人都陷入"無(wú)光刻機(jī)，無(wú)先進(jìn)芯片"的固有認(rèn)知時(shí)，2026年3月，北京大學(xué)邱晨光團(tuán)隊(duì)公布了一項(xiàng)顛覆性成果——成功制備了迄今尺寸最小、功耗最低的鐵電晶體管，將物理柵長(zhǎng)縮減到1納米極限，且完全繞開(kāi)了光刻機(jī)。

不同于傳統(tǒng)芯片制造依賴(lài)光刻、蝕刻的三維立體加工模式，北大團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將目光放在二維材料和鐵電晶體管上。

他們利用二維材料的特性，將單個(gè)只有3個(gè)原子厚度的晶體管堆疊起來(lái)，直接在硅芯片上生成二維材料層，實(shí)現(xiàn)了更密集的集成。這種方式不需要光刻機(jī)將電路圖案刻在晶圓上，自然也不受光刻分辨率的限制。

團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)出低溫生成工藝，避免了高溫對(duì)硅晶體管和電路的損壞，并將二維材料的生成時(shí)間從一天縮短到一小時(shí)內(nèi)。更關(guān)鍵的是，這項(xiàng)新技術(shù)與現(xiàn)有芯片制造的其他工藝完全兼容，不需要推翻現(xiàn)有生產(chǎn)線，只需在此基礎(chǔ)上升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

這意味著，西方層層封鎖光刻機(jī)、試圖將中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)困在低端領(lǐng)域的戰(zhàn)略前提，正在被一條全新的技術(shù)路線所動(dòng)搖。EUV依然是當(dāng)今半導(dǎo)體制造最精密的工藝巔峰，但芯片的未來(lái)，或許不再只有一條賽道。