材制视角 | 光刻技术正在探索的路上

初原载于 爱学习 青春材制    2020-10-16

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光刻机想必大家都多少听说过一点。

没听说过也不要紧。

华为海思大家总听说过。

美国对华为的疯狂制裁大家也一定早有耳闻，看在眼里，急在心里。

华为已经设计出了自己的芯片，有了自己的处理器，那么美国为什么能够限制华为呢？

因为设计出芯片和生产出芯片完全是两码事。

在芯片里，基本元件就是晶体管，晶体管越多，芯片的运行速度越快，这就要求芯片制造得越来越精细，如今已经进化到要求两个器件之间，只能有几nm的距离了。

华为的麒麟810、980、990芯片采用的是7纳米芯片，而Mate40系列将采用5纳米芯片。而要做出5纳米和7纳米芯片必须要采用我们今天的主角，也是芯片生产的核心技术----光刻机。光刻工艺直接决定了芯片中晶体管的尺寸和性能，而晶体管的尺寸和性能又决定了芯片性能。可以说没有光刻机就没有高端芯片。

世界上最好的光刻机生产商是荷兰的阿斯麦尔（ASML）。ASML也有很多精密零件是从美国进口的。而美国商务局最新发布的制裁规则是只要采用美国技术和设备生产的芯片，也要必须经过同意才可以出售给华为。我们知道，一台精密仪器多数情况下都是多个国家联合生产的，毕竟人各有长，应当共同发展。可偏偏不是大家都这么想的，之前一些国家做了一个《瓦森纳协定》——先进的技术和设备，无论是军用还是民用的的只能在这个圈子里面进行买卖，如果要卖给圈外的国家需要先通报——利用这个协定和美国最新发布的规则，我们的芯片生产技术被美国卡得死死的。

 而光刻技术的大致原理就是首先制备出芯片电路图的掩模版，然后在硅片上旋涂上光刻胶，利用紫外光源通过掩模版照射到光刻胶上，经过对准曝光后，紫外线照射到的区域的光刻胶会因为化学效应而发生变性。再进行干法刻蚀（简单来说就是处理掉光刻处理后需要除去的部分）。

这看起来是不是也没什么？但要做到高精密，我国目前的技术，独自生产光刻机还远远不够。

　　一个光学系统能够分辨的尺寸正比于光的波长，想要制造更小的尺寸，就要制造更短的波长的光，短波长的光很难造。目前业界使用的主力是波长193nm，叫做DUV，D是deep，深紫外光刻。但还远远不够用。于是我们就有了EUV，E是extreme，极紫外光刻。它把可用的光的波长缩减到了13.5纳米。这里简单概述一下原理大概就是使用光的脉冲去击打液态金属锡，激发出波长更短的光。

搞定光源只是起点，想要让这些光为我们所用还要要用各种镜子调整光路，还要过滤杂光。每一次反射都会损失百分之三十的光强，这是因为EUV的光太容易被吸收了，连空气都可以吸收，这一堆反光镜折腾下来，最后只剩下百分之二的光强了，而反光镜也不是一般的镜子，首先是材料，用来制造反光镜的材料很特殊，只能反射13.5nm光，起到过滤杂光的作用。其次是光滑程度，初中物理告诉我们，越光滑的表面发生的漫反射越少，越能减少光反射的信息损失，于是我们的反光镜就要求异常地光滑。目前ASML的反光镜是德国蔡司制造的。

除此之外，一台能够被投入使用的光刻机还要有检查错误的机制。一点点纳米级的错误都会让整个生产批次报废，损失大量人力和财力。还要进行防震，使用光刻机的厂房都是黄色灯光，因为黄光波长长。光刻胶对短光敏感。且需要无尘环境，工作人员全部戴口罩穿防护服，是不是特别像我们的抗疫英雄们。且EUV的光需要高能，要冷却如此的高能反应的热量，需要每秒钟4000升的水。

没有核心技术正是中国半导体行业的金箍。我们自研全球卫星导航系统花费了20年，EUV光刻机我们就算得再用20年，我们也得拿下。技术就得装在自家人口袋里。美国给我们设下了这样一个巨大的难题，并不能阻止我们前进的脚步，只会加强我们向前奔跑的迫切心情与决心。科学的道路本身就不平坦，即便前路漫漫，既然我们选择了科学，选择了工科，选择了这条道路，那就应当拥有刻苦钻研永不放弃的精神。希望等到我们这一代人崛起之后，我们拥有了自己的光刻机，拥有自己的核心技术和现在还没有能力生产的精密仪器，不仅仅是光刻机。

END

参考文献：

中国知网  [1]云舒. 华为芯片断供 “卡脖子”倒逼攻坚[N]. 中国纪检监察报,2020-09-16(004).

                [2]清风.芯片制造,不能又是一轰而上[J].企业观察家,2020(08):92-93.

                [3]杨辅强,刘剑,周宏权.光刻机负刚度主动减振技术研究[J].电子工业专用设备,2020,49(03):35-40.

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撰  稿  人：　科技协会科创部　　米　杭 

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