清华：何必EUV光刻机，我们造“光刻厂”

半导体实验室

半导体工程师 2023-09-16 08:10 发表于北京
钱学森设计原则：不求单项技术的先进性 只求总体设计的合理性。
4 U4 Y9 {) P( G$ xASML生产出的光刻机如同一个“便携打印机”，生产出来，销售各国，帮助“打印”各种制程的芯片（28nm，14nm，7nm......），而最高工艺的EUV光刻机就能打印7nm以下的芯片，让晶体管的栅长保证在几纳米工艺下，依然保持高良率（相当于把你的姓名刻在原子级别下的硅片下，结构和纹路清晰可见）而这EUV光刻机目前仅ASML可以生产。但受限令原因，EUV光刻机暂时是不能卖给我国，当然由于华为的9000S芯片突破7nm限制等原因，近日ASML也将限令限制购买的光刻机放宽到TWINSCAN NXT：2000i并已得到荷兰政府的同意，年底前继续出售，但这也仅仅是DUV光刻机。EUV光刻机依然是困扰我国芯片发展的难点。要想做出EUV光刻机，最难也是最关键的是什么？那就是你得拥有能制造EUV（极紫外光）的技术。如何发出EUV光？既然我们没有技术和办法像ASML能做到把光刻机做成“便携打印机”去全球销售的地步，那我们如果不以销售为目的，何不如造一个“印刷厂”一样的光刻厂，增大功率得到我们想要的极紫外光。而这就要讲到此次清华大学提出的SSMB-EUV光源方案（稳态微聚束）。01.光刻机，EUV，是怎么“卡”住我们的？在讲SSMB-EUV光源方案前，先简单聊聊光刻机。光刻机，顾名思义是一种利用高能量、短波长的光束对硅片进行晶体管刻写的设备。通过增加光束能量和减小波长，可以创造出尺寸更小的晶体管，从而在单位面积上增加晶体管数量，提升芯片的制造能力。目前最高级别的光刻机是EUV光刻机，它利用极紫外光（EUV）技术可以制造出7纳米及以下的芯片。在芯片结构中，nm代表栅极的最小宽度，也是常常提到的纳米级制程。栅极充当闸门，控制电流从源极流入漏级。较小的栅极宽度意味着更低的电流损耗，表现为更低的发热和功耗。此外，较小的栅极宽度还允许在同一芯片上容纳更多的晶体管，提升性能和计算能力。同时，芯片的体积也相应缩小，从一块硅片上可以切割出更多的芯片，降低整体成本。对于苹果15系列发布会而言，首款采用3纳米芯片的A17 Pro面世。然而，分析显示，尽管制程上升，但性能提升幅度并不显著（CPU提升10％，GPU提升20％），并且功耗没有降低，这让熬夜看完发布会的人倍感失望。
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当制程尺寸进入10纳米及以下时，整个制造过程变得非常困难。由于一个原子的尺寸约为0.1纳米，10纳米制程下，横向仅有大约100个原子的宽度，制造过程变得异常复杂。同时，任何一个原子的错误都会影响整个产品的良品率。因此，制程中的纳米级数越小，芯片的性能越好，但对晶圆代工的技术要求也更高。芯片的纳米级制程越小，对光刻机的要求也越高。然而，目前市场上的7纳米制程芯片并不完全使用最先进的EUV技术制造，台积电以前使用的是传统的193纳米浸润式光刻机。这款光刻机当时售价7200万美元，主要用于14纳米到20纳米制程，但台积电成功使用该光刻机实现了7纳米芯片的量产，通过多次曝光的方式实现了这一目标，但是良率还是不如EUV光刻机生产的，且成本极高。而且，越往7nm以下攻关，EUV就会越成为我们芯片发展绕不开的难题。02.清华大学SSMB-EUV光源方案从小中国盛行的一句名言：世上无难事只怕有心人。清华大学的唐传祥教授研究组与亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在《自然》（Nature）上发表了一篇题为“稳态微聚束原理的实验演示”（Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching）的研究论文。?文章摘要（可忽略不看）：粒子加速器作为光子源的使用促进了科学技术的进步。目前，这种源的主力是基于存储环的同步辐射设备和基于线性加速器的自由电子激光器。同步辐射设施输送具有高重复率但相对较低功率的光子，这是由于它们的时间不相干性质。自由电子激光器产生具有高峰值亮度的辐射，但其重复率受到驱动源的限制。稳态微聚束（steady-state micro-bunching，SSMB） 机制已被提出用于在从太赫兹到极紫外的波长范围内产生高重复、高功率辐射。这是通过在稳态逐圈基础上使用微聚束实现的电子存储环中辐射的多粒子相干增强来实现的。揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步是在真实机器中演示其机制。在这里，我们报告了SSMB机制的实验演示。我们证明，存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米微聚束和相干辐射，在1064纳米波长的激光引起能量调制后旋转一周。我们的结果验证了电子的光学相位可以以亚激光波长的精度逐圈关联。在这种相位相关性的基础上，我们预计SSMB将通过应用与电子依次相互作用的锁相激光器来实现。该演示代表着实现基于SSMB的高重复、高功率光子源的一个里程碑。这篇论文报告了一项开创性的实验，验证了一种名为“稳态微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的新型粒子加速器光源。基于SSMB的极紫外（EUV）光源有望解决自主研发光刻机中最关键的挑战，引起了国内外学术界和产业界的广泛关注。作为国内顶级学府，清华大学提出了大胆的SSMB-EUV光源方案，其光源功率已经超过10千瓦，是即将推出的2纳米光刻机的20倍以上。更令人振奋的是，这个方案并非纸上谈兵，已经在德国亥姆霍兹柏林中心的加速器储存环上成功进行了验证，充分证明了其完全可行的性质。?该方案的原理如下：
- c' D7 O# ]2 n( O5 ~2 D首先，利用高重频微波电子枪产生一串电子束，其持续时间在百纳秒量级。这些电子束经过直线加速腔的加速作用，达到大约400兆电子伏特（MeV）的能量，此时电子束呈脉冲分布，间隔时间为加速所用微波的周期（约10厘米）。
4 y  s8 \% z1 r接下来，将这些电子束注入展束环中，通过纵向拉伸对束团进行处理，使电流分布由原先的梳状分布变得更为均匀，形成在纵向上均匀分布的准连续束团。
随后，将束团从展束环引出，并注入稳态微聚束（SSMB）主环中进行储存。在主环中，束团经过激光调制器的聚束作用，并通过量子激发和辐射阻尼平衡的作用，使得束团保持微聚束的状态，束长约为数十纳米。
7 L+ G" m% R  x6 E5 ]最后，在辐射段中进一步压缩束团，使其波长压缩至约3纳米，实现了波长为13.5纳米的强相干辐射，从而输出千瓦级别的极紫外（EUV）光。
简而言之，该方案利用高能加速器对电子进行加速，然后通过交替变化的磁场（震荡腔）使电子左右震荡，产生高频率和短波长的电磁波，甚至可见光。当电子接近光速时，产生更短波长的光，甚至是X射线。将电子聚集成纳米级别的电子团，确保每个电子团内的电子震荡发出的电磁波处于相位一致的状态。通过电子团按串依次通过加速器并进入震荡腔，每个团都会经历左右震荡，从而在各个位置产生具有强功率的相干光。?SSMB-EUV光源可以构建成一个大型环形结构，具备多条EUV光束线，同时为多台光刻机提供光源。在整个"光刻工厂"中，各项设备都将围绕这个光源进行设计。尽管是否可行暂且不论，但其原理目前看来是可行的。研发光刻机的目的是为了制造芯片，因此光刻机不一定非要像荷兰ASML公司的那种样式。ASML制造的光刻机主要是为了全球销售，因此它们必须考虑小型化，光源也必须小型化。然而，如果我们自己制造光刻机，就不需要对此进行考虑。如果真的可以开发出满足各种工艺要求的"光刻工厂"，那么成本问题就不存在了，成本不仅不会增加，反而会大幅降低，因为不管这个"光刻工程"生产出来什么样波长的的光，我们都需要，因为可用来制造不同制程的芯片。03.SSMB方案优势和可行性目前，极紫外（EUV）光源有四种实现模式，分别是激光产生等离子体（LPP）、同步辐射（SR）、自由电子激光（SRF-FEL）以及稳态微聚束（SSMB）。?荷兰目前最先进的光刻机采用LPP模式，通过使用功率大于20千瓦的CO2气体激光器轰击液态锡形成等离子体，从而产生13.5纳米的EUV光。该技术经过不断优化，在中间焦点处实现了约350瓦左右的EUV光功率。虽然技术比较成熟并已商业化，但其光功率上限约为500瓦左右，难以支撑下一代光刻技术的进一步发展。SSMB-EUV光源具有微聚束辐射的强相干特性以及储存环内电子束的高回旋频率特性，因此能够提供高平均功率和窄带宽的相干辐射，并覆盖从太赫兹到软X射线的波段。SSMB-EUV光源在EUV光刻方面具有以下特点和潜在优势：
高平均功率：SSMB储存环可支持安装多条EUV光束线，既可以作为光刻的大功率照明光源，还可作为掩模、光学器件的检测光源，并为EUV光刻胶的研究提供支持。
4 ~0 E5 M6 f/ t窄带宽与高准直性：SSMB光源易于实现EUV光刻所需小于2%的窄带宽要求，并且波荡器辐射集中于小于0.1毫弧度的角度范围内。这种窄带宽和高准直性的特点能够为基于SSMB的EUV光刻光学系统带来创新性的设计，同时降低EUV光学反射镜的工艺难度。
# V" Q- K3 `9 M' k& ?) Q高稳定性的连续波输出：SSMB光源输出的是连续波或准连续波辐射，可以避免辐射功率剧烈波动对芯片的损坏。储存环光源具有较好的稳定性，采用top-up运行模式的SSMB储存环能进一步提高光源的长时间可用性。
辐射清洁：与LPP-EUV光源相比，波荡器辐射的高真空环境不会对光刻机的光学系统反射镜产生污染，从而大大延长反射镜的使用寿命。
8 A$ Z9 A3 \4 ~& R1 m3 I可拓展性：SSMB原理上易于拓展到更短波长，为下一代采用波长为6.x纳米的Blue-X光刻技术提供了可能。
0 B! M' ^9 I% f$ H% F# F其实这项技术并不是什么最新技术，早在2021年2月份的时候，清华大学的这篇论文发表在了世界顶级学术期刊《Nature》上了。?而在今年2月份的时候，迎来了最新进展。由清华大学牵头，SSMB-EUV光源项目已经在雄安新区落地，属于建设国家重大科技基础设施。?04.OFweek 维科网·电子工程 总结如今看来，国产EUV技术的发展有望从“纸上谈兵”到“跃然纸上”。SSMB-EUV光源的实现将推动我国EUV光刻技术实现跨越式发展。同时，SSMB加速器光源能够提供高平均功率和窄线宽的太赫兹到软X射线波段的相干辐射。其时间结构的广泛可调性为物理、化学、能源、环境等领域的前沿基础研究和应用基础研究提供前所未有的工具和手段。SSMB加速器光源已经引起了科学界和产业界的广泛关注。随着对SSMB储存环物理研究的深入以及关键技术的掌握，SSMB加速器光源有望成为光刻产业和科学研究领域的重要光源。其性能将不断提高，造价也将逐渐降低，并且其应用也将得到更广泛的拓展。中国讲究“以力证道”，近年来，相关项目经历了许多挑战，但这也将加速布局和建设。希望在未来几年内，国内该领域的项目能催生出更多成果，让我们也能早日迎接EUV光刻的国产化。来源于维科网电子工程，作者G
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