路透社稱中國(guó)造出EUV光刻機(jī)

唯物的中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)深度觀察

近日，路透社“爆料”了所謂的中國(guó)“曼哈頓計(jì)劃”，稱中國(guó)科學(xué)家在深圳造出了美國(guó)多年來嚴(yán)防死守的極紫外（EUV）光刻機(jī)的原型機(jī)。

中國(guó)沒有官方消息證實(shí)這一“爆料”，可能真，也可能偽。有意義的是，西方媒體的報(bào)道透露著西方對(duì)中國(guó)突破高端光刻設(shè)備的焦慮。環(huán)球網(wǎng)就為此發(fā)表評(píng)論稱，中國(guó)科技進(jìn)步，路透社本不必焦慮。

EUV光刻機(jī)被西方國(guó)家稱為先進(jìn)技術(shù)的“最后堡壘”，目前全球僅有荷蘭企業(yè)阿斯麥可以生產(chǎn)。EUV光刻機(jī)始終受美國(guó)“把控”，只能賣給美國(guó)盟友，導(dǎo)致中國(guó)一臺(tái)EUV光刻機(jī)也沒有，僅能量產(chǎn)7nm芯片，落后主流3nm芯片兩代。

中國(guó)力圖擺脫受制于人的局面，光刻機(jī)“國(guó)產(chǎn)化”進(jìn)程不斷加速。其實(shí)不需要外媒“捕風(fēng)捉影”，工信部官方網(wǎng)站先后公布了不少國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的技術(shù)參數(shù)，顯示了清晰的技術(shù)路線。

中國(guó)人面對(duì)EUV光刻機(jī)有個(gè)經(jīng)典之問——造氫彈和造EUV光刻機(jī)，哪個(gè)難？雖然這個(gè)問題需要詳細(xì)的技術(shù)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(dāng)然，我們的目標(biāo)并不是打造技術(shù)孤島，如果能更加深度、平等地融入全球經(jīng)濟(jì)和技術(shù)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，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(jī)呢？下面我們來分析如何“手搓”EUV光刻機(jī)。

精確地光刻

目前主流的光刻機(jī)，用的都是光學(xué)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(shí)，硅片表面會(huì)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(huì)發(fā)生反應(yīng)，將掩模版上的圖案復(fù)制到硅片上，之后洗去光刻膠，就能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件在硅片表面的構(gòu)建。

半導(dǎo)體技術(shù)要升級(jí)，主要看晶體管中的溝道長(zhǎng)度能不能進(jìn)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(diǎn)在于“光學(xué)設(shè)計(jì)”。

第一個(gè)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(zhǎng)，要么提高數(shù)值孔徑——兩個(gè)方式都極難。

過去，DUV（深紫外）光刻機(jī)使用的是波長(zhǎng)193nm的深紫外光，現(xiàn)在EUV光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)為13.5nm。這一波長(zhǎng)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(shí)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(dá)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(jī)

光源需要準(zhǔn)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(guó)乒運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該也能辦到，但成為國(guó)乒運(yùn)動(dòng)員已經(jīng)是世界頂級(jí)難度了），還是兩次。

而且，激發(fā)產(chǎn)生的光轉(zhuǎn)瞬即逝，因此需要每秒鐘激發(fā)約50000次。另外，高達(dá)20kW的二氧化碳激光器的制造難度也相當(dāng)大，所需電源功率達(dá)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(jīng)過數(shù)次技術(shù)的迭代實(shí)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(jī)，數(shù)值孔徑0.33。最新的型號(hào)High NA EUV光刻機(jī)，數(shù)值孔徑0.55。

DUV光刻機(jī)的一大突破是，中國(guó)臺(tái)灣人林本堅(jiān)提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波長(zhǎng)下是不透明的液體，但是對(duì)于193nm的波長(zhǎng)幾乎完全透明。同時(shí)，水在193nm的折射率高達(dá)1.44。相比于真空介質(zhì)下分辨率只能達(dá)到65nm，浸沒超凈水介質(zhì)的光刻機(jī)理論上可以達(dá)到22nm甚至更低的分辨率。

圖為林本堅(jiān)

除水以外，人們?cè)趯ふ腋笳凵渎实囊后w。但這一類液體要求非常嚴(yán)格：與光刻膠沒有反應(yīng)，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(guān)鍵，把整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)浸沒在水里或液體里，要應(yīng)對(duì)一系列問題——浸入液如何充入、是否對(duì)鏡頭造成污染、光刻膠在液體中是否穩(wěn)定性、會(huì)不會(huì)產(chǎn)生氣泡、如何保證液體高純度等等。

精確地成像

光學(xué)設(shè)計(jì)的第二大困難是精確成像。

精確成像，其實(shí)就是控制像差。像差類似于手機(jī)鏡頭里的自己沒有現(xiàn)實(shí)的自己好看，即理想成像與實(shí)際成像的差距?？刂葡癫钚枰\(yùn)用大量透鏡，像DUV光刻機(jī)需要29枚透鏡。

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

EUV光刻機(jī)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(gè)原子都要在“正確”的位置。其不僅能提高對(duì)EUV的反射，還能吸收其他沒用的光。

這個(gè)反射鏡的光滑度，可能算得上是宇宙中最光滑的人造結(jié)構(gòu)——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(jī)鏡片

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

除了光學(xué)上最顯著的技術(shù)困難之外，制造EUV光刻機(jī)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(zhǔn)控制大小和流速，系統(tǒng)冷卻如何解決振動(dòng)帶來的精度擾動(dòng)等等。

EUV光刻機(jī)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(tái)High NA EUV光刻機(jī)，這臺(tái)光刻機(jī)是被分裝在250個(gè)單獨(dú)的集裝箱里進(jìn)行運(yùn)輸?shù)摹?/p>

大小還在其次，它的工作環(huán)境還特別嚴(yán)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(gè)顆粒，且顆粒尺寸小于0.5微米。車間里每小時(shí)要凈化30萬立方米的空氣。

阿斯麥極紫外光刻機(jī)外部

光刻需要的電能也很“恐怖”。一臺(tái)EUV工作24小時(shí)，耗電量達(dá)到3萬度。

中國(guó)臺(tái)灣媒體給臺(tái)積電算過一筆賬：由于于EUV光源的能源轉(zhuǎn)換效率只有0.02%左右，所以輸出功率只有250W的EUV光刻機(jī)，實(shí)際需要0.125萬千瓦的電力，耗電量是DUV光刻機(jī)的10倍以上。如此一來，一臺(tái)EUV一年耗電量可達(dá)到1000萬千瓦時(shí)。

與此同時(shí)，因?yàn)镋UV光源能量轉(zhuǎn)換率為0.02%，另外的99.98%電能會(huì)變成熱量散發(fā)出去，需要大量的設(shè)備來降溫散熱，又要額外耗電。臺(tái)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(cái)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(jī)，那么大約需要幾年可以量產(chǎn)？

美國(guó)假定是10年，以阿斯麥的經(jīng)驗(yàn)是7年。

中國(guó)制造的速度，一般是別國(guó)經(jīng)驗(yàn)?zāi)晗拊倏橙ヒ话搿５@只是猜測(cè)。猜測(cè)的底氣在于，中國(guó)的科技基礎(chǔ)、制造業(yè)基礎(chǔ)、人才基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)，足以應(yīng)對(duì)任何技術(shù)封鎖。

“科技是全人類的共同財(cái)富”，也應(yīng)該服務(wù)于全球人民的福祉。而封鎖的策略，只能損害全球科技產(chǎn)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(hào)High NA EUV光刻機(jī)，能制造2nm、1.4nm芯片，價(jià)格4億美元。只有英特爾、三星訂了5臺(tái)，臺(tái)積電不太愿意買，說之前的老型號(hào)也能將就用。如果新產(chǎn)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(chǎn)品？

就像有評(píng)論員認(rèn)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(dá)AI芯片H200也遭遇了封鎖。美國(guó)政府的政策拉拉扯扯，一會(huì)放行，一會(huì)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(dá)H200芯片

而且，今年9月，中芯國(guó)際已經(jīng)在測(cè)試DUV光刻機(jī)，其主要零組件已實(shí)現(xiàn)在地化生產(chǎn)，但仍有部分零件需依靠進(jìn)口，目前該公司正致力于完全自主化生產(chǎn)。新型DUV設(shè)備一般需要一年的持續(xù)調(diào)校才能達(dá)到量產(chǎn)所需的穩(wěn)定性和良率。該款28nm光刻機(jī)可以制造7nm芯片，理論上也可以制造5nm芯片。

無論是光刻機(jī)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(jìn)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