柔弱的雕刻大師——EUV光刻機
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在如今這個信息時代，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，沒錯，作為人類商業(yè)化機器的工程奇跡，光刻機自然是量產(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，光刻機這種大部分可能一生都不會見到的機器一下子成了婦孺皆知的存在，那么光刻機是如何工作的呢？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，也是我國被“卡脖子”的EUV（極紫外）光刻機。
眾所周知，既然要“雕刻”，那影響雕刻精細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，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，使用的248nm的KrF激光，光刻機實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，將最小“雕刻精度”推進至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光刻機也就因其極其復(fù)雜的工程實現(xiàn)，成了目前為止，人類最精密的商業(yè)化機器。
（Ps：目前的5nm、3nm之類工藝名稱，更多的是廠家宣傳，已經(jīng)沒有實際的物理意義，實際的精度還是會比5nm、3nm要粗糙不少）
既然是利用極紫外光的光刻機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呢？答案肯定是不行，這東西設(shè)備巨大，造價昂貴，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。
粒子加速器需要以公里計的加速軌道
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動速度有關(guān)，因此，我們控制磁場和電子運動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光源，上海光機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子體的時候就會放出極紫外線，這之中氙是最理想的材料，因為它是氣體，不會污染電極，但是氙有一個致命的缺點，就是極紫外線轉(zhuǎn)化率很低，只有1%，大量能量會變成其他波長的光線輻射出來。而錫就沒有這個問題，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問題，錫是固體，在電離過程中飛濺的碎片會污染設(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，同時放出極紫外線。目前ASML的EUV光刻機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，激光發(fā)生器會先發(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)，第二道強激光會接踵而至（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”，但是實際上困難重重，因為激光的作用時間非常短，只有五萬分之一秒，為了使錫液滴在這么短的時間內(nèi)精確得被激光擊中兩次，液滴的飛行速度要達到150m/s，這相當(dāng)于一列復(fù)興號高鐵的速度。想象一下，激光要擊中一個直徑只有30微米，以高鐵速度飛行的液滴兩次，而這一切的發(fā)生時間僅僅只有五萬分之一秒，其對于精度的控制難度可想而知。因此，ASML所生產(chǎn)的EUV光刻機有海量的檢測系統(tǒng)，來確保絕對的精確。
如何降低錫碎片的影響呢？
現(xiàn)在還有一個問題，就是錫液滴被擊中時，難免會爆裂開產(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，很容易就會被抽氣機抽出真空室。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的鏡頭，各種光學(xué)玻璃的疊加才能再完美成像，光刻機更是如此。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。
工程師們使用對這個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相互干涉，我們精確控制每一層玻璃的厚度，就會讓極紫外光發(fā)生相長干涉，層層強化反射強度。
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別的平整，到底有多平整呢？其平整程度相當(dāng)于把整個中國的國土，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，最終封裝成為一個個算力核心，支持我們這個時代發(fā)展。小到各位手中智能手機的每一次滑動，大到巨型數(shù)據(jù)中心，計算出天地萬物的運行規(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)化機器EUV光刻機的簡單工作流程，也是我國想用舉國之力挑戰(zhàn)的、整個西方世界的工程巔峰。面對這個需要幾乎各個領(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？——因為山就在那里！”
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