路透社稱中國造出EUV光刻機

唯物的中國芯片產業(yè)深度觀察

近日，路透社“爆料”了所謂的中國“曼哈頓計劃”，稱中國科學家在深圳造出了美國多年來嚴防死守的極紫外（EUV）光刻機的原型機。

中國沒有官方消息證實這一“爆料”，可能真，也可能偽。有意義的是，西方媒體的報道透露著西方對中國突破高端光刻設備的焦慮。環(huán)球網(wǎng)就為此發(fā)表評論稱，中國科技進步，路透社本不必焦慮。

EUV光刻機被西方國家稱為先進技術的“最后堡壘”，目前全球僅有荷蘭企業(yè)阿斯麥可以生產。EUV光刻機始終受美國“把控”，只能賣給美國盟友，導致中國一臺EUV光刻機也沒有，僅能量產7nm芯片，落后主流3nm芯片兩代。

中國力圖擺脫受制于人的局面，光刻機“國產化”進程不斷加速。其實不需要外媒“捕風捉影”，工信部官方網(wǎng)站先后公布了不少國產光刻機的技術參數(shù)，顯示了清晰的技術路線。

中國人面對EUV光刻機有個經典之問——造氫彈和造EUV光刻機，哪個難？雖然這個問題需要詳細的技術上的解釋，但背后的心態(tài)非常樂觀——哪怕比氫彈還難，我們也有造出來的那一天。

當然，我們的目標并不是打造技術孤島，如果能更加深度、平等地融入全球經濟和技術創(chuàng)新網(wǎng)絡，那才是共享、共贏，共發(fā)展。

不過，既然需要自力更生，要克服哪些難題才能制造出EUV光刻機呢？下面我們來分析如何“手搓”EUV光刻機。

精確地光刻

目前主流的光刻機，用的都是光學投影式光刻。工作原理俗稱“蘿卜雕花”，只不過雕的不是蘿卜，而是硅片（也叫硅晶圓）。

圖為硅片

具體工作時，硅片表面會覆蓋一層光刻膠，用紫外光等光線，透過掩模版（刻有電路圖案的板子）照射在硅片表面，光刻膠會發(fā)生反應，將掩模版上的圖案復制到硅片上，之后洗去光刻膠，就能實現(xiàn)半導體器件在硅片表面的構建。

半導體技術要升級，主要看晶體管中的溝道長度能不能進一步縮小，從7nm、5nm再到3nm。而想要把晶體管越做越小，就需要光刻越來越精確。

光刻光刻，主要難點在于“光學設計”。

第一個困難就是衍射極限。光刻要越來越精確，就得提高分辨率。而提高分辨率，要么減少光源波長，要么提高數(shù)值孔徑——兩個方式都極難。

過去，DUV（深紫外）光刻機使用的是波長193nm的深紫外光，現(xiàn)在EUV光刻機的光源波長為13.5nm。這一波長需要非常極致的辦法才能做到。

阿斯麥官方的宣傳片展示了這一震撼時刻：錫金屬被熔化形成直徑只有20微米的液滴，并且在真空環(huán)境中自由下落。在下落過程中，首先是193nm的深紫外光將錫液滴打成云狀，緊接著功率高達20kW的二氧化碳激光器再次擊打它，并激發(fā)出EUV。

阿斯麥EUV（極紫外）光刻機

光源需要準確擊打正在自由下落的金屬液滴，難度就好像用乒乓球擊打空中的飛蟲（雖然一些國乒運動員應該也能辦到，但成為國乒運動員已經是世界頂級難度了），還是兩次。

而且，激發(fā)產生的光轉瞬即逝，因此需要每秒鐘激發(fā)約50000次。另外，高達20kW的二氧化碳激光器的制造難度也相當大，所需電源功率達到了200kW。

如此高功耗的光所激發(fā)的極紫外光的功率多大呢？約210W，效率只有5.5%，這還是經過數(shù)次技術的迭代實現(xiàn)的最高水平，要知道，最初的發(fā)光效率僅有0.8%。

提高數(shù)值孔徑的辦法是改變環(huán)境的折射率。折射率越大，數(shù)值孔徑就越大。

阿斯麥上一代LOW NA EUV光刻機，數(shù)值孔徑0.33。最新的型號High NA EUV光刻機，數(shù)值孔徑0.55。

DUV光刻機的一大突破是，中國臺灣人林本堅提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波長下是不透明的液體，但是對于193nm的波長幾乎完全透明。同時，水在193nm的折射率高達1.44。相比于真空介質下分辨率只能達到65nm，浸沒超凈水介質的光刻機理論上可以達到22nm甚至更低的分辨率。

圖為林本堅

除水以外，人們在尋找更大折射率的液體。但這一類液體要求非常嚴格：與光刻膠沒有反應，光透過率高，折射率高，還要穩(wěn)定。目前研發(fā)出的第二代浸入液的折射率為1.64。

關鍵，把整個光學系統(tǒng)浸沒在水里或液體里，要應對一系列問題——浸入液如何充入、是否對鏡頭造成污染、光刻膠在液體中是否穩(wěn)定性、會不會產生氣泡、如何保證液體高純度等等。

精確地成像

光學設計的第二大困難是精確成像。

精確成像，其實就是控制像差。像差類似于手機鏡頭里的自己沒有現(xiàn)實的自己好看，即理想成像與實際成像的差距。控制像差需要運用大量透鏡，像DUV光刻機需要29枚透鏡。

到了EUV光刻機，DUV的透射系統(tǒng)不能用了，因為EUV的波長太短，容易被其他物質吸收，連空氣都能吸收它的能量，因此整個光刻間必須處于真空狀態(tài)，減少損耗。

EUV光刻機的全反射投影系統(tǒng)，用的是鉬/硅反射鏡，鏡面上鍍了40層鉬和硅交替的膜，平整到每個原子都要在“正確”的位置。其不僅能提高對EUV的反射，還能吸收其他沒用的光。

這個反射鏡的光滑度，可能算得上是宇宙中最光滑的人造結構——如果把反射鏡放大到地球大小，它上面也僅有一根頭發(fā)絲直徑大小的凸起。

EUV極紫外光刻機鏡片

就算是如此驚人的鍍膜水平，每個鏡片依然對EUV有30%的吸收率。整個反射系統(tǒng)需要11枚反射鏡，真正用于光刻芯片的光強只剩下2%。

除了光學上最顯著的技術困難之外，制造EUV光刻機還有很多常人難以想象的困難。比如，制備高分辨率的光刻膠，錫微流體如何精準控制大小和流速，系統(tǒng)冷卻如何解決振動帶來的精度擾動等等。

EUV光刻機特別大，跟一輛雙層公交車差不多。2023年，英特爾收到全球第一臺High NA EUV光刻機，這臺光刻機是被分裝在250個單獨的集裝箱里進行運輸?shù)摹?/p>

大小還在其次，它的工作環(huán)境還特別嚴苛，光刻需要極致的無塵環(huán)境——每立方米的空氣不能超過10個顆粒，且顆粒尺寸小于0.5微米。車間里每小時要凈化30萬立方米的空氣。

阿斯麥極紫外光刻機外部

光刻需要的電能也很“恐怖”。一臺EUV工作24小時，耗電量達到3萬度。

中國臺灣媒體給臺積電算過一筆賬：由于于EUV光源的能源轉換效率只有0.02%左右，所以輸出功率只有250W的EUV光刻機，實際需要0.125萬千瓦的電力，耗電量是DUV光刻機的10倍以上。如此一來，一臺EUV一年耗電量可達到1000萬千瓦時。

與此同時，因為EUV光源能量轉換率為0.02%，另外的99.98%電能會變成熱量散發(fā)出去，需要大量的設備來降溫散熱，又要額外耗電。臺積電2021年的耗電量，夠深圳居民用一年。

科技是人類的共同財富

假如我們克服了以上的種種“地獄模式”的困難，造出了原型機，那么大約需要幾年可以量產？

美國假定是10年，以阿斯麥的經驗是7年。

中國制造的速度，一般是別國經驗年限再砍去一半。但這只是猜測。猜測的底氣在于，中國的科技基礎、制造業(yè)基礎、人才基礎和產業(yè)鏈基礎，足以應對任何技術封鎖。

“科技是全人類的共同財富”，也應該服務于全球人民的福祉。而封鎖的策略，只能損害全球科技產業(yè)、全球人民的利益。

特別是夾在中間的阿斯麥。其最新型號High NA EUV光刻機，能制造2nm、1.4nm芯片，價格4億美元。只有英特爾、三星訂了5臺，臺積電不太愿意買，說之前的老型號也能將就用。如果新產品賣得太少，研發(fā)成本都收不回來，以后還怎么開發(fā)新產品？

就像有評論員認為，“脫鉤斷鏈，我可以從低端走向高端，你能否從高端走向更高端？”

之前英偉達AI芯片H200也遭遇了封鎖。美國政府的政策拉拉扯扯，一會放行，一會禁售，最后還是放行，證明了這種損人不利己的策略不得人心，也根本持續(xù)不下去。

英偉達H200芯片

而且，今年9月，中芯國際已經在測試DUV光刻機，其主要零組件已實現(xiàn)在地化生產，但仍有部分零件需依靠進口，目前該公司正致力于完全自主化生產。新型DUV設備一般需要一年的持續(xù)調校才能達到量產所需的穩(wěn)定性和良率。該款28nm光刻機可以制造7nm芯片，理論上也可以制造5nm芯片。

無論是光刻機還是芯片，理想的狀態(tài)，依然是中外企業(yè)開放、合作，真正分享科技進步的紅利，而不是打壓、窺視、焦慮，把自身隔絕于“全球化”之外。

作者 |榮智慧

編輯 | 向現(xiàn)

值班主編 | 張來

排版 | 阿車