柔弱的雕刻大師——EUV光刻機(jī)
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在如今這個(gè)信息時(shí)代，如果說我們的世界是由芯片堆積起來的高樓大廈，那么芯片制造，則是這里面高樓的地基，而談到芯片制造各位讀者自然就能想到光刻機(jī)，沒錯(cuò)，作為人類商業(yè)化機(jī)器的工程奇跡，光刻機(jī)自然是量產(chǎn)高性能芯片的必要設(shè)備。特別是隨著這幾年中美貿(mào)易戰(zhàn)的加劇，光刻機(jī)這種大部分可能一生都不會(huì)見到的機(jī)器一下子成了婦孺皆知的存在，那么光刻機(jī)是如何工作的呢？它是如何在方寸之間的芯片上雕刻出上百億的晶體管的呢？本篇文章就著重給大家介紹一下目前最先進(jìn)，也是我國被“卡脖子”的EUV（極紫外）光刻機(jī)。
眾所周知，既然要“雕刻”，那影響雕刻精細(xì)程度的因素除了匠人的技藝，最重要的就是刀刃的大小了，而光刻機(jī)這種以光為刀的設(shè)備，其發(fā)展方向便是追求更極致的“刀刃”的大小。那么，對(duì)于光來說，刀刃的大小，自然就是光的波長。
從第一代和第二代光刻機(jī)，其使用光源分別為436nm的g-line 和365nm的i-line；到第三代掃描投影式光刻機(jī)，使用的248nm的KrF激光，光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，將最小“雕刻精度”推進(jìn)至180-130nm；而到了今天，人類已經(jīng)開始使用波長為10-14nm的極紫外光，其“雕刻精度”也來到了5nm、甚至是3nm，而EUV光刻機(jī)也就因其極其復(fù)雜的工程實(shí)現(xiàn)，成了目前為止，人類最精密的商業(yè)化機(jī)器。
（Ps：目前的5nm、3nm之類工藝名稱，更多的是廠家宣傳，已經(jīng)沒有實(shí)際的物理意義，實(shí)際的精度還是會(huì)比5nm、3nm要粗糙不少）
既然是利用極紫外光的光刻機(jī)第一步自然是如何生成極紫外光線了，目前有四種方式可以獲得極紫外光，分別是：同步輻射光源、自由電子激光、放電生成等離子體和激光產(chǎn)生等離子體。
01
同步輻射光源
首先，介紹一下同步輻射光源：要是想產(chǎn)生同步輻射光源，我們需要一臺(tái)粒子加速器，當(dāng)電子在加速器的圓環(huán)之中加速到接近光速的過程中，它就會(huì)不斷地向切線方向輻射光線，這就是所謂的“同步輻射”。這種光源能量轉(zhuǎn)化率高，包含幾乎所有頻譜的光線，從可見光、紅外線、紫外線和極紫外線應(yīng)有盡有，只要將其他光線過濾掉，就能獲得極紫外光線。這東西能不能用來做光刻機(jī)呢？答案肯定是不行，這東西設(shè)備巨大，造價(jià)昂貴，而且其主要是用于更加重要的基礎(chǔ)科學(xué)的研究，顯然不合適用于光刻機(jī)。
粒子加速器需要以公里計(jì)的加速軌道
02
自由電子激光
其次，我們來看一下自由電子激光：它的原理也很簡單，就是讓電子在磁場之中震蕩，產(chǎn)生同步輻射，而輻射出波長和磁場震蕩周期與電子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，因此，我們控制磁場和電子運(yùn)動(dòng)速度就能獲得想要的波長，也就是極紫外線。不過和同步輻射光源一樣，自由電子激光也需要相當(dāng)長的磁場軌道加速，而且同樣昂貴，在上海建設(shè)的硬X射線自由電子激光裝置，整整耗資100億人民幣，這是商業(yè)化光刻機(jī)不能承受的成本。
但是，這種光源雖然現(xiàn)在還不合適，但是有望在未來成為下一代光刻機(jī)光源，上海光機(jī)所也在積極探索一種名為激光尾波場加速的技術(shù)，可以將自由電子激光加速軌道縮短到幾米，有興趣的讀者可以去自行搜索了解一下。
03
放電生成等離子體
之后，第三種方式，放電生成等離子體就很簡單粗暴，就是直接將氙、錫等材料放入電極之中電離，這些材料在變?yōu)榈入x子體的時(shí)候就會(huì)放出極紫外線，這之中氙是最理想的材料，因?yàn)樗菤怏w，不會(huì)污染電極，但是氙有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是極紫外線轉(zhuǎn)化率很低，只有1%，大量能量會(huì)變成其他波長的光線輻射出來。而錫就沒有這個(gè)問題，其在電離中的輻射光的峰值就出現(xiàn)在極紫外波段，轉(zhuǎn)化率可以提高的2%，但是這又引來了另一個(gè)問題，錫是固體，在電離過程中飛濺的碎片會(huì)污染設(shè)備，這要如何解決呢？這就是目前唯一商業(yè)化的解決方案，激光產(chǎn)生等離子體。
04
激光產(chǎn)生等離子體
最后，我們來介紹一下第四種，也是唯一成熟的極紫外光產(chǎn)生方式，激光產(chǎn)生等離子體。簡單來說就是用高能量的激光轟擊微小的錫液滴（30微米左右），使其瞬間等離子體化，同時(shí)放出極紫外線。目前ASML的EUV光刻機(jī)使用的是二氧化碳激光器來作為激光光源，其工作原理如下：錫液發(fā)生器將錫加熱融化，使錫液滴落入真空室，這時(shí)，激光發(fā)生器會(huì)先發(fā)出一道能量稍弱的激光擊中錫液滴，這發(fā)激光的目的是將錫液滴攤平，就像我們烙餅一樣，這樣有助于錫液滴受熱均勻確保完全蒸發(fā)，第二道強(qiáng)激光會(huì)接踵而至（這種打兩道激光的方法，即ASML的預(yù)脈沖技術(shù)），使得“錫餅”瞬間加熱等離子化，同時(shí)放出極紫外光，真空室內(nèi)的收集鏡捕獲等離子體向所有方向發(fā)出的極紫外輻射，匯聚形成光源，極紫外光會(huì)被傳遞至光刻系統(tǒng)以曝光晶片。
這一過程聽上去好像很“簡單”，但是實(shí)際上困難重重，因?yàn)榧す獾淖饔脮r(shí)間非常短，只有五萬分之一秒，為了使錫液滴在這么短的時(shí)間內(nèi)精確得被激光擊中兩次，液滴的飛行速度要達(dá)到150m/s，這相當(dāng)于一列復(fù)興號(hào)高鐵的速度。想象一下，激光要擊中一個(gè)直徑只有30微米，以高鐵速度飛行的液滴兩次，而這一切的發(fā)生時(shí)間僅僅只有五萬分之一秒，其對(duì)于精度的控制難度可想而知。因此，ASML所生產(chǎn)的EUV光刻機(jī)有海量的檢測系統(tǒng)，來確保絕對(duì)的精確。
如何降低錫碎片的影響呢？
現(xiàn)在還有一個(gè)問題，就是錫液滴被擊中時(shí)，難免會(huì)爆裂開產(chǎn)生碎片，這些碎片累積起來，很容易讓高精度的反射鏡報(bào)廢，如何降低錫碎片的影響呢？這就是ASML所采用的碎片緩沖技術(shù)：在反射鏡表面充入低壓的氫氣，一方面氫氣可以幫助散熱，而另一方面氫氣會(huì)和飛濺而來的錫碎片反應(yīng)，生成烷錫，這是一種氣體，很容易就會(huì)被抽氣機(jī)抽出真空室。就這樣，無數(shù)工程師絞盡腦汁，可以說是窮盡了目前人類發(fā)展成果，終于解決了極紫外光源的問題
如何傳遞極紫外光呢？
現(xiàn)在還有最后一個(gè)棘手的問題，就是如何傳遞極紫外光呢？我們知道，光源需要透過鏡片的層層折射才能最終完美成像，離我們生活中最近的例子就是相機(jī)的鏡頭，各種光學(xué)玻璃的疊加才能再完美成像，光刻機(jī)更是如此。但是極紫外的穿透性極差，有多差呢？它連空氣都穿透不過，為了伺候極紫外光，需要將整個(gè)光刻系統(tǒng)都放在真空之中。
極紫外光如何透過層層疊疊的高精度光學(xué)玻璃呢？
工程師們給出的方案就是，干脆別透過鏡片折射了，整套光學(xué)成像換成反射式，然而事情遠(yuǎn)沒有這么容易，極紫外光的反射能力也很弱，而且從錫液滴中產(chǎn)生的可不止極紫外光，還有其他的X光、紅外線等等雜光，很容易折騰一圈最后發(fā)現(xiàn)反射了一堆不需要的光線。那如何解決呢？只能從極紫外波長10-14nm上想想辦法了。
工程師們使用對(duì)這個(gè)波段反射效率很高的鉬和硅制成一種雙面反射鏡，并堆疊上50層，既然極紫外光一次反射能力很弱，那就多反射幾次，由于不同層之間反射的極紫外光會(huì)相互干涉，我們精確控制每一層玻璃的厚度，就會(huì)讓極紫外光發(fā)生相長干涉，層層強(qiáng)化反射強(qiáng)度。
為了讓每層之間的反射足夠精確，每層反射玻璃必須做到原子級(jí)別的平整，到底有多平整呢？其平整程度相當(dāng)于把整個(gè)中國的國土，打磨成誤差不超過4mm的平面，恐怕平整程度能比過這種反射鏡片的東西，也只有科幻小說里，三體人的“水滴”了。
目前經(jīng)過工程師的努力，ASML所使用的光學(xué)玻璃，已經(jīng)可以讓極紫外光的發(fā)射效率達(dá)到70%。最后極紫外光透過反射式光掩模，最終在晶圓上完成光刻。
如此艱難所獲取的極紫外光，將在方寸之間雕刻出宛如巨大都市的上百億密集晶體管陣列，最終封裝成為一個(gè)個(gè)算力核心，支持我們這個(gè)時(shí)代發(fā)展。小到各位手中智能手機(jī)的每一次滑動(dòng)，大到巨型數(shù)據(jù)中心，計(jì)算出天地萬物的運(yùn)行規(guī)律。
以上就是目前我們?nèi)祟愃苌a(chǎn)出的最復(fù)雜的商業(yè)化機(jī)器EUV光刻機(jī)的簡單工作流程，也是我國想用舉國之力挑戰(zhàn)的、整個(gè)西方世界的工程巔峰。面對(duì)這個(gè)需要幾乎各個(gè)領(lǐng)域都要做到工程極限的奇跡設(shè)備，我們能不能像之前攻破原子彈、盾構(gòu)機(jī)那樣突破，筆者也不得而之。但是，我想引用英國登山家喬治·馬洛里的話來結(jié)束這篇文章：“為何想要攀登珠穆朗瑪峰？——因?yàn)樯骄驮谀抢?！?/p>
評(píng)論