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科技前沿:0.8纳米的光刻机来了?突破1纳米制程的光刻机问世

最近,科技界有一条消息刷屏:是美国的一家科技公司(Zyvex Labs),在9月21号宣布推出了目前世界上分辨率最高的电子束光刻设备(ZyveLitho1)。这款设备可以以约0.8纳米的分辨率,对硅片进行加工。要知道,台积电在上个月才宣布,到2025年才能量产2纳米工艺芯片。这家公司一下子就把光刻设备拉到了0.8纳米,听起来确实很令人惊讶。

而且你要知道,台积电的2纳米,和这台设备的0.8纳米,完全不是一个概念。台积电的2纳米,只是一个工艺代号,并不是说使用这个工艺加工出来的晶体管最小尺寸只有2纳米。事实上,从目前披露的信息来看,即便是采用了极紫外光刻机(EUV),台积电的2纳米工艺晶体管的最小结构尺寸也有10纳米左右。而这次美国公司Zyvex Labs声称的0.8纳米,是一个实实在在的设备性能指标,它确实表示,用这台电子束光刻设备加工出来的芯片最小尺寸可以达到0.8纳米。

听到这里,你肯定会感叹,这种电子束光刻设备也太厉害了,它是不是可以直接取代目前最先进的极紫外光刻机呢?先别激动,这种电子束光刻设备并不是传统意义上的光刻机,它目前还不能用于芯片的批量生产。

你知道,光刻机其实可以理解成一种非常精密的投影仪。投影仪的灯泡,就是光刻机的光源;被投射出去带图案的幻灯片,就是芯片制造时需要用的掩模板;而投影的幕布,就是我们需要加工的硅片。硅片上涂了光刻胶,被光照射到的地方光刻胶就被溶解掉。于是加工出各种各样的芯片结构。

如果把投影出去的光想象成一把刻刀的话,那么,光的波长越短,这把刻刀就越锋利,能够加工出来的芯片结构就越精细。光线投影能够实现的最精细的图像分辨率,跟它所使用的光的波长差不多。比如现在最先进的极紫外光刻机(EUV),使用的是一种波长只有13.5纳米的极紫外光,它能够实现的分辨率也就是13纳米左右。当然,你可能听说过,通过浸润式光刻、多重曝光等技术,能够稍微突破一下这个分辨率限制,但基本也不会比光的波长精细太多。

实际上,每一次光刻机的重大迭代,都跟光源突破有关。上一代的深紫外光刻机(DUV),使用的是波长为193纳米的深紫外光,科学家足足用了20年时间才突破了波长更短的极紫外光。而下一代光刻机,科学家必须找到比极紫外光更短波长的光源,这非常困难。不过,有一个现成的东西可以作为光的替代品——那就是电子。

高中物理课上我们都学过一个概念,叫“波粒二象性”,也就是,实物粒子其实也有对应的波长。如果把电子当作波来看待的话,它对应的波长约为零点零几纳米。如果把电子当作光来投影做成光刻机的话,那分辨率可就高多了呀!其实,科学家早就想到了这个思路,他们早在1990年代就制作出了第一代电子束光刻设备,可以实现差不多20纳米的分辨率。

你肯定会问了:为什么电子束光刻设备出现得这么早,但直到今天都没有应用于芯片的批量加工呢?这是因为,电子束光刻虽然精度高,却有一个致命的弱点,就是加工速度非常慢。电子和光子不同,电子之间有明显的相互排斥力。电子束光刻很难像光刻机那样,用很多光子一下把整个硅片都“照亮”。如果一次性放出的电子太多,电子之间就会由于相互排斥,导致成像紊乱。

于是,电子束光刻设备,只能用“涓涓细流”的电子,一点一点地照射硅片。真的如同一把“刻刀”,在硅片上一小块一小块地刻出图案。相比起来,光刻机就像印刷一样,能够一次性把图案铺满整个硅片,加工效率简直是天壤之别。所以说,很多新闻报道里,用这次发布的0.8纳米的电子束光刻设备来对比荷兰阿斯麦的极紫外光刻机,其实是有点文不对题。

这样说来,这个听起来很牛的电子束光刻设备是不是就没啥实际用途呢?其实,电子束光刻虽然没有办法用来大规模生产芯片,但它在芯片加工里也有非常重要的作用。

首先,电子束光刻是现在用来加工掩模板的最主要手段之一。前面我们提过,掩模板就是光刻机用来在硅片上形成投影的那张“幻灯片”,是芯片光刻的“模具”。它对于芯片生产的重要性,就如同雕版印刷中使用的雕版一样,是芯片每一道工艺参考的图案基准。除了加工掩模板,电子束光刻在量子计算芯片、超表面芯片等前沿黑科技的样品加工上,也有不可替代的作用,是实验室必不可少的科研设备。

我们再说回到极紫外光刻机,下一代光源突破会是什么呢?目前荷兰阿斯麦公司是利用金属液滴产生极紫外光,而就在去年,清华大学有了一项突破性成果,通过操控电子束的高速振动,来产生高能量的紫外辐射,从而获得波长只有几纳米、功率高达几百瓦的高质量极紫外光。这种技术被称为“稳态微聚束光源”,这是下一代光刻机光源的有力竞争者,有可能成为国产光刻机弯道超车的契机。

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