柔弱的雕刻大师——EUV光刻机

在如今这个信息时代，如果说我们的世界是由芯片堆积起来的高楼大厦，那么芯片制造，则是这里面高楼的地基，而谈到芯片制造各位读者自然就能想到光刻机，没错，作为人类商业化机器的工程奇迹，光刻机自然是量产高性能芯片的必要设备。特别是随着这几年中美贸易战的加剧，光刻机这种大部分可能一生都不会见到的机器一下子成了妇孺皆知的存在，那么光刻机是如何工作的呢？它是如何在方寸之间的芯片上雕刻出上百亿的晶体管的呢？本篇文章就着重给大家介绍一下目前最先进，也是我国被“卡脖子”的EUV（极紫外）光刻机。

荷兰ASML的EUV光刻机

众所周知，既然要“雕刻”，那影响雕刻精细程度的因素除了匠人的技艺，最重要的就是刀刃的大小了，而光刻机这种以光为刀的设备，其发展方向便是追求更极致的“刀刃”的大小。那么，对于光来说，刀刃的大小，自然就是光的波长。

从第一代和第二代光刻机，其使用光源分别为436nm的g-line 和365nm的i-line；到第三代扫描投影式光刻机，使用的248nm的KrF激光，光刻机实现了跨越式发展，将最小“雕刻精度”推进至180-130nm；而到了今天，人类已经开始使用波长为10-14nm的极紫外光，其“雕刻精度”也来到了5nm、甚至是3nm，而EUV光刻机也就因其极其复杂的工程实现，成了目前为止，人类最精密的商业化机器。

（Ps：目前的5nm、3nm之类工艺名称，更多的是厂家宣传，已经没有实际的物理意义，实际的精度还是会比5nm、3nm要粗糙不少）

既然是利用极紫外光的光刻机第一步自然是如何生成极紫外光线了，目前有四种方式可以获得极紫外光，分别是：同步辐射光源、自由电子激光、放电生成等离子体和激光产生等离子体。

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同步辐射光源

首先，介绍一下同步辐射光源：要是想产生同步辐射光源，我们需要一台粒子加速器，当电子在加速器的圆环之中加速到接近光速的过程中，它就会不断地向切线方向辐射光线，这就是所谓的“同步辐射”。这种光源能量转化率高，包含几乎所有频谱的光线，从可见光、红外线、紫外线和极紫外线应有尽有，只要将其他光线过滤掉，就能获得极紫外光线。这东西能不能用来做光刻机呢？答案肯定是不行，这东西设备巨大，造价昂贵，而且其主要是用于更加重要的基础科学的研究，显然不合适用于光刻机。

粒子加速器需要以公里计的加速轨道

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自由电子激光

其次，我们来看一下自由电子激光：它的原理也很简单，就是让电子在磁场之中震荡，产生同步辐射，而辐射出波长和磁场震荡周期与电子运动速度有关，因此，我们控制磁场和电子运动速度就能获得想要的波长，也就是极紫外线。不过和同步辐射光源一样，自由电子激光也需要相当长的磁场轨道加速，而且同样昂贵，在上海建设的硬X射线自由电子激光装置，整整耗资100亿人民币，这是商业化光刻机不能承受的成本。

但是，这种光源虽然现在还不合适，但是有望在未来成为下一代光刻机光源，上海光机所也在积极探索一种名为激光尾波场加速的技术，可以将自由电子激光加速轨道缩短到几米，有兴趣的读者可以去自行搜索了解一下。

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放电生成等离子体

之后，第三种方式，放电生成等离子体就很简单粗暴，就是直接将氙、锡等材料放入电极之中电离，这些材料在变为等离子体的时候就会放出极紫外线，这之中氙是最理想的材料，因为它是气体，不会污染电极，但是氙有一个致命的缺点，就是极紫外线转化率很低，只有1%，大量能量会变成其他波长的光线辐射出来。而锡就没有这个问题，其在电离中的辐射光的峰值就出现在极紫外波段，转化率可以提高的2%，但是这又引来了另一个问题，锡是固体，在电离过程中飞溅的碎片会污染设备，这要如何解决呢？这就是目前唯一商业化的解决方案，激光产生等离子体。

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激光产生等离子体

最后，我们来介绍一下第四种，也是唯一成熟的极紫外光产生方式，激光产生等离子体。简单来说就是用高能量的激光轰击微小的锡液滴（30微米左右），使其瞬间等离子体化，同时放出极紫外线。目前ASML的EUV光刻机使用的是二氧化碳激光器来作为激光光源，其工作原理如下：锡液发生器将锡加热融化，使锡液滴落入真空室，这时，激光发生器会先发出一道能量稍弱的激光击中锡液滴，这发激光的目的是将锡液滴摊平，就像我们烙饼一样，这样有助于锡液滴受热均匀确保完全蒸发，第二道强激光会接踵而至（这种打两道激光的方法，即ASML的预脉冲技术），使得“锡饼”瞬间加热等离子化，同时放出极紫外光，真空室内的收集镜捕获等离子体向所有方向发出的极紫外辐射，汇聚形成光源，极紫外光会被传递至光刻系统以曝光晶片。

这一过程听上去好像很“简单”，但是实际上困难重重，因为激光的作用时间非常短，只有五万分之一秒，为了使锡液滴在这么短的时间内精确得被激光击中两次，液滴的飞行速度要达到150m/s，这相当于一列复兴号高铁的速度。想象一下，激光要击中一个直径只有30微米，以高铁速度飞行的液滴两次，而这一切的发生时间仅仅只有五万分之一秒，其对于精度的控制难度可想而知。因此，ASML所生产的EUV光刻机有海量的检测系统，来确保绝对的精确。

如何降低锡碎片的影响呢？

现在还有一个问题，就是锡液滴被击中时，难免会爆裂开产生碎片，这些碎片累积起来，很容易让高精度的反射镜报废，如何降低锡碎片的影响呢？这就是ASML所采用的碎片缓冲技术：在反射镜表面充入低压的氢气，一方面氢气可以帮助散热，而另一方面氢气会和飞溅而来的锡碎片反应，生成烷锡，这是一种气体，很容易就会被抽气机抽出真空室。就这样，无数工程师绞尽脑汁，可以说是穷尽了目前人类发展成果，终于解决了极紫外光源的问题

如何传递极紫外光呢？

现在还有最后一个棘手的问题，就是如何传递极紫外光呢？我们知道，光源需要透过镜片的层层折射才能最终完美成像，离我们生活中最近的例子就是相机的镜头，各种光学玻璃的叠加才能再完美成像，光刻机更是如此。但是极紫外的穿透性极差，有多差呢？它连空气都穿透不过，为了伺候极紫外光，需要将整个光刻系统都放在真空之中。

极紫外光如何透过层层叠叠的高精度光学玻璃呢？

工程师们给出的方案就是，干脆别透过镜片折射了，整套光学成像换成反射式，然而事情远没有这么容易，极紫外光的反射能力也很弱，而且从锡液滴中产生的可不止极紫外光，还有其他的X光、红外线等等杂光，很容易折腾一圈最后发现反射了一堆不需要的光线。那如何解决呢？只能从极紫外波长10-14nm上想想办法了。

工程师们使用对这个波段反射效率很高的钼和硅制成一种双面反射镜，并堆叠上50层，既然极紫外光一次反射能力很弱，那就多反射几次，由于不同层之间反射的极紫外光会相互干涉，我们精确控制每一层玻璃的厚度，就会让极紫外光发生相长干涉，层层强化反射强度。

为了让每层之间的反射足够精确，每层反射玻璃必须做到原子级别的平整，到底有多平整呢？其平整程度相当于把整个中国的国土，打磨成误差不超过4mm的平面，恐怕平整程度能比过这种反射镜片的东西，也只有科幻小说里，三体人的“水滴”了。

目前经过工程师的努力，ASML所使用的光学玻璃，已经可以让极紫外光的发射效率达到70%。最后极紫外光透过反射式光掩模，最终在晶圆上完成光刻。

如此艰难所获取的极紫外光，将在方寸之间雕刻出宛如巨大都市的上百亿密集晶体管阵列，最终封装成为一个个算力核心，支持我们这个时代发展。小到各位手中智能手机的每一次滑动，大到巨型数据中心，计算出天地万物的运行规律。

以上就是目前我们人类所能生产出的最复杂的商业化机器EUV光刻机的简单工作流程，也是我国想用举国之力挑战的、整个西方世界的工程巅峰。面对这个需要几乎各个领域都要做到工程极限的奇迹设备，我们能不能像之前攻破原子弹、盾构机那样突破，笔者也不得而之。但是，我想引用英国登山家乔治·马洛里的话来结束这篇文章：“为何想要攀登珠穆朗玛峰？——因为山就在那里！”