EUV光源新突破：有望解决国产光刻机难题

比起理论科学上的突破,产业链的发展更为重要。

无法制造逻辑、存储等高端芯片,是中国半导体行业发展长期以来难以解决的痛点。这背后,EUV光刻机的缺失,是中国芯片制造无法进一步升级的掣肘。

近日,一只来自清华大学的科研团队发表了一篇有关EUV光源的研究成果,而EUV光源正是EUV光刻机的核心基础。

这项发现也给中国自研光刻机带来了技术上支持。

稳态微聚束,EUV光源的全新方案

EUV到底是什么东西?

简单来说EUV是紫外线中波段处于(10nm～100nm)的短波紫外线,而光刻机工艺中通常定义在10～15nm紫外线。

EUV光刻机可以用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光,在晶圆上“雕刻”出电路,最后造出包含上百亿个晶体管的芯片。波长越短,光刻的刀也越锋利,但与此同时对精度的要求也更高。

据清华大学官网发布的消息,清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与“亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心”,以及“德国联邦物理技术研究院”组成的合作团队在《Nature》杂志上刊发了题为《稳态微聚束原理的实验演示》的研究论文。

该论文里,研究团队报告了一种新型粒子——“稳态微聚束”(Steady-statemicrobunching,SSMB),并进行了原理验证实验。

实验中,研究团队利用波长1064nm的激光,操控位于储存环内的电子束,电子束在绕环一整圈(周长48米)后形成了精细的微结构,即“稳态微聚束”。

通过探测辐射,研究团队验证了微聚束的形成,随后又验证了SSMB的工作机理。该粒子可以获得光刻机所需要的极紫外(EUV)波段,这为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

因此,《Nature》评阅人对这项实验成果给予了高度评价,认为该项研究展示了一种新的方法论,这必将引起粒子加速器和同步辐射领域的兴趣。

EUV光刻机,中国造芯绕不过的坎

正如前文所说,光刻机承担着芯片制造中最为复杂和关键的制作工艺步骤,是高端芯片生产中不可或缺的关键设备之一,其中7nm以下的先进制程必须用到EUV光刻机。如果没有EUV光刻机,那个国产芯片制程只能止步7nm。

以中芯国际为例,目前中芯国际的14nm工艺芯片已经实现量产,12nm工艺也已相对成熟。但受限于没有EUV光刻机,7nm工艺始终无法开展生产。

想要有所突破,必须购得最高规格的EUV光刻机。而荷兰ASML公司是目前全球唯一能够量产EUV光刻机的厂商。

就是这么一台设备,一台需要10万个零配件,其中光源的设计和专利都是美国独有,光刻机光源部分20%的核心部件全世界也只有美国能够生产。一台价值高达7亿人民币,而且一年产量只有几十台,且有限供应给三星、台积电等大客户。

国内厂商想购买一台,太难。

目前,中国本土的光刻机制造商上海微电子已经成功研制出了22nm级别的光刻机,但22nm远不能满足当前的高端芯片生产要求。

解决光刻难题,完善产业更为重要

作为国内科研的中坚力量,清华大学也肩负着攻克“卡脖子”的重担。这一次在理论科学上的突破,给国内光刻机的发展带来了新的思路。

但从理论走向实物,依然要走漫长的道路,只有产业链上下游的配合,才能获得真正成功。

早前,中科院就曾宣布开展“率先行动”计划,集中全院力量聚焦国家最关注的重大领域攻关,这其中就包括了光刻机。除中科院外,华为等厂商也加速研发突破光刻机等技术,仅华为就计划在2年内投入80亿美元,要在光刻机技术方面实现突破。

但以国内目前薄弱的基础,短期内攻克EUV设备并不现实,毕竟EUV光刻机是整套光刻体系中最困难的一块。中国要推进完整的光刻工业体系的发展,只能采取从低到高的策略,比如193nm深紫外ArF干式光刻机、浸没式光刻机,以及周边设备材料等。

在克服EUV光源等因素的影响以外,电能巨大消耗、挑选合适的光刻胶、高昂的资金成本都是EUV光刻机需要面对的问题。

因此,相比于EUV光刻机,国内厂商更应该在DUV光刻机站住脚跟,从周边设备与材料切入,逐步解决产业中存在的问题,把产业做扎实,最终才能完成光刻机的发展。

作者:家衡