下一代光刻技术展望（传统光刻技术）

华为联合中科院研发出光刻机可能性分析

看到非官方消息，华为和中科院合作，研发出了8nm光刻机。下面分析消息的可信度和技术可能性。

一、芯片制造流程简介

先大概解释一下芯片制造过程，以便大家理解下面的技术姓内容。了解这个流程的话可以直接跳到二阅读。

这里略过和主题无关的晶圆制造和封测环节。

你可以想像一下刻图章的过程。假定我们要刻一个yin文（和阳文对应）图章（字凹陷，背景凸起，需要把字的笔画扣掉），上面两个字：“仁义”。下面的例子是为了说明芯片制造方法，真正刻图章没这么麻烦。步骤大致如下：1. 设计：在纸上设计要刻的字。2. 刻模：把字的笔画用刻刀刻掉，这张纸称为字模。3. 印章刻字表面强化处理（实际刻印章没这一步）。4. 涂漆：在印章基底材料上涂一层油漆。5. 字模复录：把字模复制在漆上（在漆上铺字模，描笔画）。6. 显字：除去被字笔画覆盖处的漆，无笔画处的漆保留。此时印章上没有漆的部分显示“仁义”二字（这里忽略镜像反转问题）。7. 刻字，即把没有漆的部分用刻刀刻掉。8. 除漆，把剩下的漆洗掉。

制造芯片的步骤和上面的刻图纸步骤一一对应（略去其他与本文内容无关的步骤，如基底抛光和多个清洗步骤等等）：1. 芯片布局/布线设计（相当于设计）。2. 制作掩模，即根据设计来制作布局图案掩模（相当于刻模）。3. 晶圆表面氧化（相当于印章刻字表面处理）4. 涂胶，即在基底材料上涂敷光刻胶（相当于涂漆）。5. 光刻，即用光线穿过掩模板照射光刻胶（相当字模复录）。 光刻机用在这一步。 6. 显影，即除去光线照射过的部分光刻胶（相当于显字）。7. 刻蚀，即除去晶圆表面的氧化膜，露出下面的高纯硅（相当于刻字）。8. 除胶，即把晶圆表面剩余的光刻胶洗掉（相当于除漆）。

光刻得到的效果是：硅晶圆表面的二氧化硅薄膜的图案和掩模完全一致，相当于把掩模上的图形转移到晶圆表面的二氧化硅上，使二氧化硅表层开有和掩模完全一致的无数天窗，为后续工序做好了准备，仿佛批量复制了和掩模图形一致的二氧化硅薄膜贴在硅晶圆表面上。

造芯片到这里还有一步：掺杂，即在不同工序中把不同金属离子注入无数天窗下面的硅基底中，使这些区域改变特性，形成需要的半导体电气性能（即形成P型或N型半导体，两种不同半导体微小区域之间形成单向导电的P/N结，连续的三个PNP或NPN区域含有两个P/N结，形成具有放大作用的三极管，这是集成电路的最基本元件）。

需要指出，超大集成电路芯片极为复杂，需要几十步工序，步骤1对某种芯片只需要一次，步骤2也只需要一次，但是需要为每道工序制作一个不同掩模。步骤3到8需要重复数十次，每道工序一次，每次使用不同掩模，而且不同工序的具体步骤可能区别很大，比如布线工序就有很多不同，但是光刻步骤总是需要的。

二、光刻机研发难点与芯片成本

光刻机零件数万，最关键的是三个部件：EUV光源，透镜组，高对准精度工作台。要是能解决这三个部件的问题，其他零部件的攻关难度可能小一些。已经清楚这些问题的可以直达三。

几个光刻机影响良率和生产效率，最终影响产品成本的关键因素：

1. EUV光源的功率。 光源功率越大生产效率越高。因为根据晶圆面积（通常用直径衡量，常见的有5、8、12英寸）和单个芯片的大小，一片晶圆可以排列上数十到数百个芯片。掩模一般只覆盖一个芯片，一道工序中晶圆上每个芯片需要曝光一次，一片晶圆排列500个芯片的话单一工序需要曝光500次。光刻胶感光敏感度一定的情况下，单一芯片一道工序彻底曝光需要的时长取决于光刻机输出功率或者光强，输出功率越高曝光所需时长越短，生产效率也提高了。

这里跳过EUV光源的视场和发光效率两个指标。

2. 镜头组光学岐变。 光线通过镜头会产生岐变，最明显的例子是超广角镜头成像时边缘岐变极为明显。多种因素可能造成岐变，如果岐变过大，经过掩模投影到光刻胶上的图形也相应产生岐变，造成良品率降低。

3. 移动工件台的定位精度。 因为单个芯片需要多次曝光，而为了曝光晶圆上的多个芯片，首先相邻芯片的间隔必须精确，其次，同一个芯片每一次曝光必须与之前的曝光位置精确对准。工件台定位精度差会造成良率下降，是决定良率的主要因素之一。

4. 工件台运动速度。 一个芯片曝光需要的总体时间是工件台移动到这个芯片的位置并定位完成的时间加上单纯曝光时间。因此移动和定位的速度越快生产效率越高。这个指标和定位精度互相矛盾。

生产线的良率和生产效最后都反映在最终的芯片成本上。

晶圆生产线上的其他设备处理一道工序的时间是按照晶圆计算的。比如单次掺杂工序，整个晶圆上的所有芯片一次处理完成。但是光刻工序是按照晶圆上的芯片数量计算的，即一片晶圆的一道曝光工序所需总体时长是单一芯片定位加曝光时长乘以晶圆上的芯片数量。因此一定产量的晶圆生产线上的光刻机比其他设备多，而且光刻机效率越低，一定产量生产线需要的光刻机越多。因此光刻胶的效率影响生产线造价和运行成本，最后 低效光刻机增加的生产线成本也使芯片的资金占用和运营成本提高。

三、消息真实姓分析

如果这个消息是编的，那么为什么不编7nm，偏偏编大家都不习惯看到的8nm？这是间接证据，不过硬。此外只能从技术角度分析了。

国产工作台似乎以前已经过关了，据说可以达到一点几nm的对准精度，8nm光刻机的话够用了，但是运动速度指标（直接关系到生产效率）不清楚，也许比国外最高水平差一些，无非是单片产品成本高一些。

EUV光源其实国产也有了，不过以前功率远远不够，结果就是需要的曝光时间太长，一个是需要配套的光刻胶更灵敏，难度很大；另一个是严重影响生产效率。不知道怎么解决的。个人认为，光源功率提高了有可能，但是达不到可用水平（比如提高后只能达到一分钟或数分钟完成一次曝光）。那么多路EUV光源并联可能是一个可行途径，但是即使这样可能仍然达不到asml的曝光效率水平。

镜头的关键是高精度，不然岐变太严重会导致掩模图形投影到芯片上时失真太大，尤其是镜头周边岐变更严重。镜头高精度加工技术可能有突破，但是如果不能达到理想水平的话影响成像光场面积（边缘因为岐变大不能用）和产品良率。

把焦距拉近能使成像质量改进一些，但是同等euv光源强度在更近焦距时光强度下降，这又增加了曝光时长，降低生产效率。

所以，以前中国的EUV光刻技术不是没有实现，而是技术水平不达标，用于批量生产光刻机效率和良率无法和ASML的产品竞争（还有视场小的问题，制造不了大芯片，略过不提）。

但是这样凑合出来的只具有较低生产效率和良率的光刻机能解决华为没有芯片的问题，是救命的。那么这两个影响芯片成本的问题对华为来说似乎可以忍受，因为活下去是最高优先级。

但是还有一个因素：华为秘密研发了很多技术，以前是锁在保险柜里，被制裁后陆续拿出来一些。到底有哪些，有多少外界都不清楚。 你永远也不知道下一刻华为能从兜里掏出什么。

比如，华为手机公开的一项技术： 计算光学 。就是用算法补偿镜头的岐变，用在成像之后根据已知的镜头岐变矫正照片数据的像素位置，亮度和颜色。个人觉得，华为可能把这项技术用在光刻机上，镜头不太行就用算法分析这套特定镜头的岐变，然后分析岐变产生在哪里，再针对某个或某几个镜头的特定位置做精细微调（研磨），反复多次，最后达到较好效果。这样一来镜头组加工成本会大幅度增加，但是华为目前可以接受。

类似的思路还有一个，即根据镜头组的特定岐变特性制作主动岐变掩模，抵消掉镜头组产生的光学岐变，使得通过掩模投影到光刻胶平面的图形岐变较小。不知道这个思路难度有多大，可能需要EDA软件能按照特定岐变数据生成岐变补偿掩模设计，或者用一个单独的软件，以EDA的输出作为输入，生成岐变矫正掩模数据。

这是我们知道一些线索的，可能会有其它黑 科技 也说不定。

比如，是否有可能是华为拿出了黑 科技 ，这个传闻中的光刻机采用了和ASML现有技术路线完全不同的能大大简化光刻机实现难度的技术路线？这样做还可以规避诸多专利壁垒。

比如 X射线光刻机 ？其波长更短，更有益于提升制程。生产高制程手机芯片时，其他条件（光刻胶感光灵敏度、光刻机输出功率，芯片产品制程等等）相同的情况下，波长更短X射线光刻机的生产效率比EUV光源成倍提高，因为波长较短，加工制程比EUV光刻机基础制程高的芯片需要增加的重复曝光的次数对X射线光刻机不再需要了，因此能够大大降低工序数量，提高生产效率。

问题是X射线穿透姓极强，掩模制造难度不小。可能只能用铅合金试试。还有X射线的聚焦问题，普通光学透镜不管用，要采用全新的方法。所幸这种X射线聚焦方法已经在1991年出现了，当时用于放射线治疗装置，现在当时的专利已经过期了。还有X射线管及其聚焦光路的输出功率问题。X射线敏感的光刻胶也是全新的。

这种X射线光刻机的技术路线与ASML现有光刻机完全不同，如果相关技术问题能被解决，那么中国可以直接跨入下一代光刻机领域，光刻机将不再是制程提升的主要限制因素。

还有一个可能性，用美国科学家发明发明的利用空心玻璃毛细管束聚焦X射线的方法聚焦极紫外光，这种方法用在光刻机上就不再需要光学镜头。

所以我个人认为，现在研发出8nm光刻机的可能性存在，但是这么快还是让人惊讶，或者对我来说说可信度似乎较低。不过，据说中芯国际承担国产芯片需要的设备和材料等等的验证。如果现在8nm光刻机真出来了，不出意外应该还是中芯国际担任验证工作，需时估计大约一年左右（比成熟产品要长）。是否是真的需要一年之后再看。

从@Jim博士 的光刻机系列文章中获得了不少知识，仅在此表示感谢。

原创不易，谢谢支持。

重新审视EUV光刻技术

拥有超过100,000个组件，这样的EUV光刻系统是有史以来最复杂的机器之一。它由连续生产的最强大的激光系统泵送。总重量为180吨，耗电量超过1兆瓦，单台EUV光刻机的售价高达1.2亿美元。

在EUV光刻技术之前，DUV大行其道。然而随着工艺技术的发展，大型晶圆代工厂已经迫不及待地要调到更先进制程。基于包括Trumpf（德国Ditzingen），Zeiss（德国Oberkochen）和ASML（荷兰Veldhoven ）等高 科技 公司之间的独特联盟，EUV光科主要技术问题才得以解决。

为何选择EUV？

极紫外（有时也称为XUV）表示波长在124和10nm之间的软X射线或10eV和124eV之间的光子能量。

到目前为止，芯片制造商已经使用紫外（激光）光将复杂的图案投射到涂有光致抗蚀剂的硅晶片上。在类似于旧纸张照片的开发的过程中，这些图案被开发并成为一层内的导电或隔离结构。重复该过程，直到形成诸如微处理器的集成电路的复杂系统完成。

这种光刻系统的发展受经济驱动：需要更多的计算能力和存储容量，同时必须降低成本和功耗。这种发展可以用一个简单的规则来描述，这个规则被称为摩尔定律，它说密集集成电路中的晶体管数量大约每两年增加一倍。

一个主要的限制来自光学定律。德国物理学家恩斯特·阿贝发现显微镜d的分辨率（大致）限于照明中使用的光的波长λ：

d = λ/（n sin（α））（1）

其中n是透镜和物体之间介质的折射率，α是物镜光锥的半角。对于光刻，用数值孔径（NA）代替n sin（α）并在公式中加入因子k（因为光刻分辨率可以用照明技巧强烈调整），最小可行结构或临界尺寸（CD）是：

CD = kλ / NA（2）

该公式控制着所有光刻成像过程，这使得波长成为如此重要的参数变得明显。因此，工程师们一直在寻找波长越来越短的光源，以生产出更小的特征。从紫外汞蒸汽灯开始，他们转向波长为193纳米的准分子激光器。英特尔在2003年5月宣布，它将下一步采用157纳米准分子激光器，而不是采用波长为13.5纳米的EUV，因此光刻行业获得了惊喜。光学材料的问题被视为主要障碍，EUV似乎只是一些发展步骤。

当时据报道，英特尔研究员兼公司光刻资本设备运营总监彼得西尔弗曼提出了一个问题路线图显示2009年将为32纳米节点部署EUV。事实证明这是过于乐观了，人们不得不想方设法利用193纳米光源通过沉浸式光刻和复杂的照明技巧等技术来实现更小的特征。

用于工业的EUV光源

EUV光刻必须解决许多问题。首先，需要强大的光源。在21世纪初期，基于放电等离子体的光源（如 Xtreme Technologies公司吹捧）似乎最有利，但不久之后激光产生的等离子体源显示它们最适合放大。

最后，总部位于圣地亚哥的Cymer公司凭借使用CO 2激光器从30微米锡滴产生EUV辐射的系统赢得了比赛。虽然他们在2007年推出了一个相当不稳定的30 W光源，但在2014年他们首次展示了如何达到250 W，这个数字被认为是大批量生产的突破。提高EUV转换过程的效率是一项很好的应用研究，毕竟使EUV光刻成为可行。为了加快进度（并确保其唯一供应商），ASML于2012年收购了Cymer。

为商业可行性提供足够的EUV辐射的最终解决方案，是给人留下深刻印象的机器。该机器基于串联生产中最强大的激光器：40 kW CO 2激光器。整个系统需要1兆瓦的电源。由于只有200 W功率的微小部分用于处理晶圆，因此冷却是一个主要问题。

该技术的唯一供应商是德国Ditzingen的TRUMPF。TRUMPF老板兼首席技术官Peter Leibinger非常清楚他的公司的角色：“如果我们失败，摩尔定律将停止。当然，世界并不依赖于TRUMPF，但如果没有TRUMPF，芯片行业就可能无法继续延续摩尔定律，“他在2017年接受采访时表示。

典型CO 2TRUMPF的激光器可以提供几千瓦的连续波（CW）辐射。这适合切割钢材。对于EUV，TRUMPF开发了一种激光器，可以50 kHz的重复频率产生40 kW的脉冲辐射。具有两个播种机和四个放大级的激光器非常大，必须放置在EUV机器下方的单独地板上。

为了跟上市场需求，TRUMPF在一个全新的工厂投入了大量资金，为这些激光器提供了10个生产区。通过10周时间将它们组合在一起，该公司现在每年可以容纳50个系统。目前已经有44个系统在实地，预计2019年还将有30个系统出货。

该机器具有玻璃心脏

虽然泵浦激光器是一种真正独特的机器，但EUV光刻系统中的光学器件同样具有挑战性。首先，必须用巨大的镜子收集来自微小锡滴的等离子体辐射。EUV收集器的直径为650 mm，收集立体角为5 sr。13.5nm处的平均反射率高于40％。

根据SEMICON West会议报告，反射率随时间线性下降：“他们目前的客户安装了NXE：3400B系统，Yen报告的每千兆脉冲降解率约为0.15％。ASML希望在相同功率（250 W）下将其降至低于0.1％/ GP。“换句话说，功率在90天内下降约50％。交换收集器大约需要一天时间，ASML打算用下一代NXE：3400将其减少到不到8小时。报告称，最终目标是95％的可用性，这是目前所有DUV机器的用武之地。

一旦珍贵的EUV光离开收集器，它就会被一组超精密镜子进一步形成和投射。最终表面的粗糙度为0.1nm以下更好，相当于氢原子的直径。光学系统由另一位德国冠军卡尔蔡司半导体制造技术公司（Zeiss SMT）制造，该公司是合作伙伴中第三家建立这些独特高 科技 机器的公司。

注 - NXE：3400系统的分辨率约为13 nm; 这指的是公式（2）和实际的栅极间距。这与芯片制造商经常讨论的“节点”非常不同。最初，节点指的是晶体管的栅极长度。显然，这可以根据工艺和制造商的不同而不同。然而，今天，节点仅涉及由芯片制造商开发的某个过程，并且不直接对应于光学器件的分辨率。例如，芯片制造商使用类似的EUV机器参考其专有工艺，推出7纳米或3纳米节点。

EUV光刻技术的三驾马车

虽然EUV光 科技 术整体涉及1000多家供应商，但核心技术由Trumpf，Zeiss和ASML制造。他们在EUV项目中开发了非常规的合作形式。来自Trumpf的Peter Leibinger将其称为“几乎合并的公司”，其开放式政策和广泛的人员和技术交流。

Zeiss SMT与ASML有着悠久的 历史 ，因为该公司于1983年为飞利浦生产了第一台光刻光学器件; 这项业务于1984年分拆出来并命名为ASML。

在EUV之前，Zeiss和ASML共同征服了光刻系统市场。2010年，他们已经拥有光刻系统约75％的市场份额。到目前为止，他们是工业级EUV系统的唯一供应商。为了促进这种关系，ASML在2016年11月以大约10亿欧元的价格购买了Zeiss SMT 24.9％的股份。此外，ASML承诺支持Zeiss SMT六年的研发工作，投资2.2亿欧元，加上一些5.4亿欧元的投资支持。

由于Zeiss SMT在EUV上大量投资，所以这笔钱非常需要。该公司在德国Oberkochen附近建立了制造和计量大厅;目前，它正在完成下一代具有更高NA的EUV光学器件的准备工作。另外7亿欧元的投资。这包括用于光学系统计量的卡车大小的高真空室。在这些腔室中测试的镜面最大公差为0.5 nm，因此它们采用了业内有史以来最精确的对准和计量技术。

180吨工具的最终组装

Zeiss SMT拥有一个巨大的高 科技 设施，但其规模最大的是阿斯姆公司的Veldhoven工厂的制造大厅。2018年，Zeiss SM的员工增长了21％，目前拥有超过800名博士和超过7500名工程师，总人数为23,000人。

在制造大厅中，EUV步进机器已经完成。目前的顶级车型NXE：3400B重180吨，需要20辆卡车或3辆满载的波音747发货。价格是1.2亿美元。它可以每小时处理125片晶圆，分辨率低至13纳米。

在2019年下半年，宣布升级的NXE：3400C的装运。它将采用更高透射率的光学元件，模块化容器，可显着提高维修保养方便性，以及更快的光罩和晶圆处理器，以支持更高的生产率。这些器件每小时可实现170个晶圆吞吐量。

EUV之后是什么？

到目前为止，EUV光学系统已达到0.33的NA。下一代（ASML宣布该机器为NXE Next）的NA为0.55，分辨率小于8 nm。它包含更大的光学元件，而这也是Zeiss SMT公司的努力方向，并且该公司今年已经开始生产。

作为这些共同努力的结果，显然该技术被驱动到其物理极限，从而实现迄今为止无法想象的规范。例如，光刻系统内的晶片被保持在特殊的玻璃板（所谓的晶片夹具）上。它们以高达3g的加速度移动，将晶圆保持在精确到一纳米的位置。同时，晶片由EUV光照射，热负荷为30kW / m 2，而不会失去其精确位置。

尽管仍在讨论许多技术问题，但市场似乎非常有信心EUV光刻技术将在可预见的未来为半导体产业带来实质性利益。

但在高NA EUV之后会发生什么？到目前为止，似乎还没有认真的答案。一方面，一些研究小组正在准备更短的波长。德国弗劳恩霍夫协会的两个机构于2016年完成了一项关于“超越EUV”的研究项目。他们研究反射涂层（IOF）和等离子体源（ILT）的6.7 nm波长。瑞士集团在2015年总结了光刻胶研究。诸如冲压或电子束光刻的纳米图案的替代方法正在发展。2017年的“模式路线图”试图讨论其进一步发展。

目前，ASML及其盟友在他们的高 科技 大制造厅中建造并展示了，这个时代最大和最先进的技术系统。但是，如果从远处看这一发展，似乎光刻技术的复杂性已达到其可行的最大值。未来EUV光刻技术要得到进一步的实质性进展，将需要完全不同的方法来满足增加的数据存储和处理要求。

清华团队论文登Nature，或为EUV光刻机发展提供新想法

【新智元导读】 2月25日，清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」的首个原理验证实验。与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

最现代的研究用光源是基于粒子加速器的。

这些都是大型设施，电子在其中被加速到几乎是光速，然后发射出具有特殊性质的光脉冲。

在基于存储环的同步辐射源中，电子束在环中旅行数十亿转，然后在偏转磁体中产生快速连续的非常明亮的光脉冲。

相比之下，自由电子激光器(FEL)中的电子束被线性加速，然后发出单次超亮的类似激光的闪光。

近年来，储能环源以及FEL源促进了许多领域的进步，从对生物和医学问题的深入了解到材料研究、技术开发和量子物理学。

现在，一个中德团队证明，在同步辐射源中可以产生一种脉冲模式，结合了两种系统的优点。

2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自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Nature上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（ Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching ）的论文。

报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。

该研究与极紫外（EUV）光刻机光源密切相关，有望为EUV光刻机提供新技术路线。

SSMB光源首个原理验证实验，中德团队登上Nature

同步辐射源提供短而强烈的微束电子，产生的辐射脉冲具有类似于激光的特性（与FEL一样），但也可以按顺序紧密跟随对方（与同步辐射光源一样）。

大约十年前，斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授、著名加速器理论家赵午和他的博士生Daniel Ratner以提出了「稳态微束」（SSMB）。

赵午教授

该机制还应该使存储环不仅能以高重复率产生光脉冲，而且能像激光一样产生相干辐射。

来自清华大学的青年物理学家邓秀杰在他的博士论文中提出了这些观点，并对其进行了进一步的理论研究。

2017年，赵午教授联系了HZB的加速器物理学家，他们除了在HZB操作软X射线源BESSY II外，还在PTB操作计量光源（MLS）。

MLS是世界上第一个通过设计优化运行的光源，在所谓的 「低α模式 」下运行。

在这种模式下，电子束可以大大缩短。10多年来，那里的研究人员一直在不断开发这种特殊的运行模式。

HZB的加速器专家Markus Ries解释说：「现在，这项开发工作的成果使我们能够满足具有挑战性的物理要求，在MLS实证确认SSMB原理」。

「SSMB团队中的理论小组在准备阶段就定义了实现机器最佳性能的物理边界条件。这使我们能够用MLS生成新的机器状态，并与邓秀杰一起对它们进行充分的调整，直到能够检测到我们正在寻找的脉冲模式」，HZB的加速器物理学家Jörg Feikes说。

HZB和PTB专家使用了一种光学激光器，其光波与MLS中的电子束在空间和时间上精确同步耦合。

这就调制了电子束中电子的能量。

「这使得几毫米长的电子束在存储环中正好转了一圈后分裂成微束（只有1微米长），然后发射光脉冲，像激光一样相互放大」，Jörg Feikes解释道。

「对相干态的实验性探测绝非易事，但我们PTB的同事开发了一种新的光学检测装置，成功地进行了探测。」

SSMB概念提出后，赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。

2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。

揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步，是在真实机器上演示其机制。在新的论文中，研究人员报告了SSMB机制的实验演示。

SSMB原理验证实验示意图

实验表明，存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米级的微束和相干辐射，由1,064纳米波长激光器诱导的能量调制后一个完整的旋转。

结果验证了电子的光相可以在亚激光波长的精度上逐次相关。

SSMB原理验证实验结果

在这种相位相关性的基础上，研究人员通过应用相位锁定的激光器与电子轮流相互作用来实现SSMB。

该图示直观地展示了如何通过激光调制电子束来产生发射激光的微束，是实现基于SSMB的高重复性、高功率光子源的一个里程碑。

有望解决EUV卡脖子难题

没有顶尖的光刻机，是我国半导体行业发展的最大瓶颈。

光刻机的曝光分辨率与波长直接相关，半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。

EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上「雕刻」电路，最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类 科技 发展的顶级水平。

而昂贵的EUV光刻机也正是实现7nm的关键设备，目前，荷兰ASML是全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商，而由于禁令，我国中芯国际订购的一台EUV仍未到货。

如果中国大陆无法引入ASML的EUV光刻机，则意味着大陆将止步于7nm工艺。

目前ASML公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长13.5纳米的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。

SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。它们产生的类似激光的辐射也超出了 "光 "的可见光谱，例如在EUV范围内，最后阶段，SSMB源可以提供一种新的辐射特性。脉冲是强烈的、集中的和窄带的。可以说，它们结合了同步辐射光的优势和FEL脉冲的优势。

可以说，基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

关于作者

本文的通讯作者唐传祥教授是清华大学的博士生导师。

1992年9月－1996年3月，考入 清华大学工程物理系硕博连读。1996年3月获得工学博士学位， 博士学位论文为“用于北京自由电子激光装置的多腔热阴极微波电子枪的研究”。

1996年4月获得博士学位后，留校工作。

1996年7月 1998年6月期间，作为访问学者到德国DESY工作2年。在DESY工作期间，主要进行超导加速结构的优化及测量研究，并与J. Sekutowicz, M.Ferrario等合作提出了Superstructure的超导加速结构。

1998年6月回国后，继续在清华大学从事加速器物理、高亮度注入器、汤姆逊散射X射线源、自由电子激光、新加速原理与新型加速结构、电子直线加速器关键物理及技术、加速器应用等方面的研究。

参考资料：

另辟蹊径EUV光刻机换电子束光刻机，光刻换冰刻？

最近，西湖大学教授仇旻团队发布了一种三维微纳加工技术，可在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端进行“冰刻”加工。有一种另辟蹊径的感觉。

那么其与光刻到底有哪些不同？能否取代光刻？

首先，说下什么是“冰刻”。 冰刻是通过电子束在结有一层薄冰的基础材料上进行“雕刻”的一种系统。

与当下光刻的最大不同点是，把硅基上的光刻胶换成冰。

这里插播一下广告，以电子束为基础的光刻机，也是实现光刻的一种选择。而且其精度比EUV光刻机高，也属于先进技术。 先进的原因在于电子束的波长比极紫外光短。 而不能在大规模集成电路上应用是，因为目前还存在很多缺陷。

按照电子束光刻曝光方式可分为两种： 投影式曝光和直写式曝光。

投影式曝光： 通过电子束经过掩模版后，把掩模版上的图形（电路）刻在涂抹有光刻胶的材料上。使用的是多电子束光刻技术，聚焦电子束在基础材料上进行扫描，实现电路图转移。原理类似于照相机，其中光刻胶相当于胶卷，拍摄对象就是掩模板，通过光线的照射把拍摄的对象投影到胶卷上。据说，这是下一代的光刻技术之一。

直写式曝光： 聚焦电子束直接在涂有光刻胶的基础材料上绘制电路图形。这类似于用铅笔来画画。这技术也和激光直写技术一样，可以制造光掩模版。

明白了这两种曝光方式，就能力理解仇旻教授所说的“传统电子束”和“冰胶电子束”。 换言之，“冰胶电子束”就是把光刻胶换成冰后，去实现光刻的技术。

在零下 140 度的真空环境下，通过设备注入水蒸气以后，水蒸气遇到原材料就会凝华成薄薄的冰层。

从以下两幅图看，第一幅图是目前芯片的生产工艺，需要光刻胶以及化学剂；第二幅图是“冰刻”的制造工艺，不需要光刻胶以及化学剂。使用光刻胶就需要化学剂清洗，如果清洗不好，那么将影响芯片的良品率。

而使用“冰刻”就不同，雕刻后，冰经过升华直接气化。无需化学剂，绿色环保。

显而易见，简化了芯片制造的工艺以及用冰取代了光刻胶。

目前，该团队虽然实现了简单的三维图案雕刻，但能否取代EUV光刻机，完全是一个未知数。毕竟大规模的集成电路讲究的是工业化。再说，芯片的复杂度需要多个环节、多个工艺去配合。

即使冰刻可以刻出更细的线路图，但晶体管之间的连线导通，需要的金属沉积、离子注入等环节。目前，冰层并不具备这样的条件。

谈到对“冰刻”的研究，仇旻团队这样说 ：技术冷门好，有趣，实际应用还在 探索 中。并表示“作为一种绿色且‘温和’的加工手段，冰刻尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料，甚至生物材料。未来希望这项技术能够运用到生物、微电子以及更多领域中”。

可见，“冰刻”可能存在两种情况： 是光刻的一种补充；代替现有的光刻机。这一切都需要时间去验证。