把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

jh 5個月前 (09-18)

光刻機行業,正發生著微妙改變。

把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

距離華為Mate 60 pro突然開售已經過去半個月,線上預訂的粉絲們最近都陸續收到了新機。

但由于華為官方一直沒有召開手機發布會,因此這款手機上依然有非常多的謎團等待解開。

就例如,這顆突然“空降”的麒麟9000s處理器,究竟算不算5G芯片?華為又是如何在重重封鎖下,“手搓”這顆純國產芯片呢?

在這里,我們就不對華為背后的技術和進行過多揣測,但可以肯定的是,國產光刻機技術在近期有不小的突破。

巧的是,就在最近,一項來自清華大學的光刻機技術在網絡上火了起來,簡單來說,就是把光刻機做得足夠大,就能生產出EUV光刻機需要的光源。

把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

這樣的腦洞,不僅路人們聽上去玄乎,就連不少技術人員也表示了驚嘆。

一時間,網上的解讀和質疑聲也是層出不窮。

什么是SSMB

這項由清華大學提出的技術,專業術語名叫“穩態微聚束”(steady-state micro-bunching),簡稱SSMB,是一種新型的粒子加速器光源。

最早由清華大學杰出訪問教授趙午教授與其博士生于2010年提出,并在2017年,與清華大學工程物理系教授唐傳祥合作,共同發起理論實驗。

在2022年的中國物理學會秋季學術會議上,研究組成員潘志龍提到了由SSMB技術造出來的光刻機,叫作“SSMB-EUV”光刻機,而這也正是最近討論的話題的來源。

把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

圖源 |寇享學術

SSMB背后涉及的原理非常復雜,筆者并不能完全解釋,所以這里就結合幾位科普博主的講解視頻,簡單進行一點概括。

首先,光刻機的原理,是利用光刻機發出的光源,通過設定好圖形的光罩,對涂有光刻機的硅板進行曝光,從而“刻”出電子線路圖,再進行一些后期加工,最終形成芯片的雛形。

如果光源的波長越短、功率越大,這樣的“光刀”就更加鋒利,“雕刻”出來的電子線路圖也就更加精密,芯片的性能與算力也就越強。目前,波長僅為13.5nm的極紫外光(EUV),是高端芯片的唯一選擇。

從電磁波譜上看,EUV已經非常接近X-射線,這么高的能量,單靠物理操作很難實現。

ASML采用的是LPP模式,通過一臺功率大于20 kW的CO2氣體激光器轟擊液態錫,形成等離子體,從而產生極紫外光。

把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

圖 |LPP-EUV

在找到EUV光源解決方案后,加上多年以來的光刻技術,ASML做出業內最頂尖的EUV光刻機,最終壟斷了整個市場。

值得一提的是,為ASML提供EUV技術的是美國公司Cymer,這是全球唯一能夠提供商用EUV光源的公司,國內自然無法從外部解決光源問題。

不過,實現EUV光源的方案不止一種,清華大學團隊想到了用加速器加速電子,從而產生高功率的輻射。

簡單來說,電子只要加速運動,就會發射電磁波,理論上只要加速度夠快,那么必然出現符合EUV波長的“光子”。

但光有一個“光子”還不夠,想做光刻機需要穩定的“光束”。

研究人員發現,當電子束繞過加速器后,受到磁場的作用,會形成精細的微結構,這種就是“微聚束”。

把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

圖源 | 《自然》雜志

再讓這些微聚束穿入激光陣列,通過激光與電子的相互作用,形成有一定間隔,相對聚集的排列,就這樣,微聚束被“穩態”地保持了。

就這樣,穩態微聚束呈現出極紫外光的高功率與短波長,算得上一種全新的EUV光源解決思路。

光刻機做成“光刻廠”,靠不靠譜?

解釋完SSMB技術,光刻廠又是怎么一回事?

在網上,有人把“SSMB-EUV”光刻機稱作光刻工廠,甚至給出了工廠所在的地河北雄安新區,并貼出了相關圖片(注:網傳圖片為高能同步輻射光源項目,并非SSMB設施)。

據悉,除了3nm工藝外,4nm、7nm、14nm、28nm,但凡你聽說過的芯片制程工藝,都能在這個光刻工廠里解決。

把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

圖源 | 微博

為了更好地理解,有人形象地將光刻工廠比喻成籃球架——如果說以前最中心的籃筐里(3nm)難度很大,那么就多加幾個籃筐(其他工藝),只要投籃次數夠多,總能投到最中心籃筐,而投不進的話,掉到其他籃筐里也能得分。

從原理上來說,光刻工廠和SSMB技術確實有很大的關聯性,都是利用電子束加速產生電磁波,從而得到對應的波長。由于粒子加速器體積大(加速器周長100-150米),同時需要很多配套設施,因此占地規模大也非常正常。

當然,方案可行,實施起來并沒有那么容易。

首先,從官方新聞稿看,這次在雄安新區落地的SSMB-EUV光源設施項目更接近科研用途,而不是實際生產。

從研發進程來看,SSMB-EUV技術在2021年在《Nature》雜志上正式刊登,通過原理驗證實驗,想在短時間內跨過下一步驗證,走向商用,還要一定時間。

其實,不論是光刻機還是光刻工廠,光源只是光刻機中的關鍵設備之一,其他配套設備同樣不可或缺。

作為一種全新的方案,其他國產替代設備是否適配SSMB-EUV技術,還是一個未知數。

最后,就是不少人提到的能源消耗和使用成本高的問題,雖然后續可以通過建造多條生產線將成本攤薄,但這就需要極強的規劃能力和長期運營能力。

總之,方案有了,思路有了,光刻工廠值得期待,但距離實際生產還有一段距離。

國產光刻機,奮力追趕

如今時隔三年,SSMB技術再次引起討論,足以看出國人對國產光刻機的期待。除此以外,國內還有其他出色的EUV光源方案,例如位于大灣區的廣智院,就提出了改進型的LPP模式,通過繞開二氧化碳激光器這個部件,產生出極紫外光。

但從理論走向實物,依然要走漫長的道路,只有產業鏈上下游的配合,才能真正實現光刻機的突破。除了光源這一環節以外,光刻機上下游還有非常多的環節,很多都避免不了來自外界的壓力。

另一方面,行業巨頭ASML也在時刻注視著國產光刻機的動向。

把光刻機做成“光刻廠”,國產方案的腦洞究竟有多大?

此前,日本廠商就在與ASML光刻機的競爭中敗下陣來,最終失去了先進制程領域。在ASML的背后,有著歐美的鼎力支持,這與目前中美競爭形勢非常類似。

有意思的是,ASML更像是一個看重利益的商人,即使頂著制裁的風險,但ASML依然暗中示好中國市場。

隨著國產光刻機奮力追趕,ASML的EUV方案遲早被趕上,光刻機行業或許會發生一些微妙的改變。

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