国产高端芯片难题待解,了解一下比EUV精度更高的电子束光刻机
2020-10-31 10:08:05   来源:互联网
内容摘要
在我国各领域高速发展的当下,芯片领域遇到了最大的难题。首先是最先进的EUV光刻机对中国禁售,然后是禁止芯片代工企业给华为代工芯片。我们自己辛苦设计出来的芯片,却也面临无法生产的尴尬境地。虽然我们暂时买不到最先进的EUV光刻机,短时间内也无法研制出这种光刻机,但现实中还有一种光刻机比EUV光刻机精度更高,生产技术更成熟,购买也更容易,那就是电子束光刻机。

在我国各领域高速发展的当下,芯片领域遇到了最大的难题。首先是最先进的EUV光刻机对中国禁售,然后是禁止芯片代工企业给华为代工芯片。我们自己辛苦设计出来的芯片,却也面临无法生产的尴尬境地。虽然我们暂时买不到最先进的EUV光刻机,短时间内也无法研制出这种光刻机,但现实中还有一种光刻机比EUV光刻机精度更高,生产技术更成熟,购买也更容易,那就是电子束光刻机。

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一、电子束光刻机很有潜力

目前,全世界只有荷兰的ASML公司可以生产EUV光刻机,也就是极紫外光刻机。这种光刻机产量有限,别说现在对我国禁售,就算不禁售,想买到也是需要排队的。说到这里,跟大家互动一下,您觉得为什么美国都无法生产的EUV光刻机,荷兰公司却可以生产吗?这种机子研发难度很大,生产成本很高,最近两年才刚刚上市。但是电子束光刻机从上世纪六七十年代就已经可以使用了,世界上有很多生产电子束光刻机的工厂,而且国内也能生产这种光刻机。

更值得一提的是,电子束光刻机的分辨率,理论上比极紫外光刻机还要高,刻录出来的图案比极紫外光刻机还要清楚,而且电子束光刻机可以做到直接扫描成像,不用配备价格昂贵的掩膜版。听到这里,很多朋友肯定特别疑惑,这么好的东西为啥不用啊?非得买荷兰的极紫外光刻机干什么?别急,我们一起来简单了解一下。

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二、什么是电子手光刻机

电子束光刻机,顾名思义,就是用电子束代替光线来进行显影的光刻机。现实中没有合适的透镜可以对电子束进行聚焦,也不能像极紫外光那样用反射的方法进行聚焦。但是由于电子本身带负电荷,我们可以用电场或磁场改变电子运动的轨迹,通过电场和磁场让电子束聚焦,从而起到透镜的作用。通过电场作用,可以让电子束聚焦到一个很小的点,照射到光刻胶上,就可以让光刻胶感光。通过控制电场,就可以精确移动聚焦点,然后就像写字一样在光刻胶上写出想要的图案来。其实我们早些年使用的黑白电视,就是利用电子束扫描荧光屏来显示图案的。对于光刻机来说,这样的过程只需要设定程序控制电场就可以了,不需要使用掩膜版,就像我们写字画画一样随心所欲,从而节省了掩膜版的制作成本。通过增大电子束的强度和照射时间,我们甚至可以不用光刻胶,直接就能在基板上进行刻蚀,直接实现光刻和蚀刻两个步骤。

传统的光学光刻机,由于光的衍射问题,造成其分辨率提高比较困难。为了提高分辨率,光刻机不断改进,使用波长更短的紫外光、深紫外光、极紫外光来进行光刻。电子束光刻在纳米尺度上的衍射问题可以忽略,进行光刻具有天然的精度优势。

电子束光刻机不仅可以在芯片生产领域得到应用,在生物芯片生产、微型图案雕刻、各种材料的微细加工、三维微细雕刻等领域都可以大显身手。

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三、电子束光刻机在芯片领域的应用

其实,电子束光刻机,在芯片生产领域一直都在使用。由于电子束的精度高,制作出来的图案比普通光刻还要精准。所以,电子束光刻往往用来生产掩膜版,我们前面的视频对掩膜版已经有过介绍这里不再过多介绍了。虽然极紫外光刻机可以批量生产最先进的芯片,但是生产芯片用的模板,也就是掩膜版是用电子束光刻机来生产的。

另外,前面的视频提到,北大科研团队研发出了碳基芯片。其实他们早在2017年之前就已经用碳纳米管做出了5nm的晶体管,很多朋友觉得纳闷,那时候极紫外光刻机还没有面世使用,他们怎么做出来的5nm晶体管啊。其实,他们可以使用电子束光刻机来完成这个任务。电子束光刻机一个重要的应用就是新一代集成电路研制以及新器件、新结构的研究。换句话说,在工厂批量生产以前,前期研制和调试的芯片和器件,都是用电子束光刻机进行加工的。

四、电子束光刻机的劣势

看到这里,很多朋友可能感觉有点兴奋或者有点困惑了。电子束光刻机比极紫外光刻机还要精准,完全可以替代它啊!其实,也没有那么简单。电子束聚焦的技术早在上世纪60年代就已经研发出来了,经过几十年的发展,电子束光刻机依然没有替代现有的光刻机,必然有它的劣势存在。

它最大的劣势就是工作效率低。早在1976年,电子束光刻机就已经用来生产光刻机使用的掩膜版了,现在依然是生产掩膜版的主要设备。虽然掩膜版对精度的要求比芯片还要高很多,但是能生产掩膜版不代表也适合生产芯片。因为电子束光刻机的工作效率实在太低了,1976年那会儿,电子束光刻机生产一块2英寸的掩膜版,需要1-3个小时,如果用这个速度生产芯片,那等着买芯片的人,得急成什么样啊。为什么会这样呢?因为电子束光刻,有点像针式打印机,一个点一个点的曝光。我们了解到,华为的麒麟980芯片,有六十多亿个晶体管,如果用电子束光刻机来生产的话,那得等到猴年马月去啊。相反,主流的光刻机以及极紫外光刻机,更像是投影仪,一瞬间投影出整个图片。不言而喻,工作效率有天壤之别啊。就像正常人摘人参果,得拿着金击子一个一个往下敲,孙悟空一金箍棒,整棵树上的人参果都掉下来了那种感觉。

另外,电子束光刻还有一个缺点就是电子在碰到物体以后会发生散射。在让光刻胶感光的同时,也会发生散射,造成不该曝光的地方发生曝光,这样就会降低图案的质量,使得图案有些模糊。

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五、解决方案

要想让电子束光刻机能完美替代极紫外光刻机,必须想办法解决上述两个问题。最好的办法就是照葫芦画瓢,既然普通光刻机可以用投影的办法进行光刻,电子束光刻机为什么不试试呢?于是,很多科学家开始给电子束光刻机设计掩膜版,让电子束光刻机也能实现投影光刻。这项研究已经开始了20多年了,但依然没有正式投入使用。主要的原因就是适用于电子束光刻机的掩膜版研制难度太大。因为电子流跟常见的物体都有相互作用,不管是透射还是反射,实现起来都不容易。虽然已经研究出了很多掩膜版,但是不管是使用效果、生产成本还是使用寿命,都难以满足低成本批量生产芯片的要求。

还有一种办法就是多管齐下,比如台积电设计了一种电子束光刻机,让几千束电子束同时进行光刻,大大提高了光刻效率,而且还不用设计昂贵的掩膜版。但是这种设备生产成本会很高,而且效率依然比不上极紫外光刻机。

至于电子散射问题,就得从光刻胶上下功夫了,现在有很多解决方案。比如美国麻省理工学院研发了新型的光刻胶,可以更薄的涂在晶圆上,减少散射的影响。

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六、我国不惧怕封锁

对于我国来说,虽然生产电子束光刻机要比研发极紫外光刻机容易得多,相关领域的研究也有几十年了。但是在电子束光刻机解决生产效率问题以前,想替代极紫外光刻机进行芯片的商业化生产,几乎是不可能的。但是,从另一个角度来说,如果不需要大批量生产,不考虑生产成本,电子束光刻机也是完全可以替代极紫外光刻机,实现芯片生产的。因此,就算遭遇完全封锁,以我国现有的科技水平来说,生产高端芯片满足特殊领域需要还是没有问题的。低端芯片的生产,我国已经实现了产业化,以后还会越来越成熟,逐渐向高端演进。

总的来说,芯片生产这样的产业,需要很多领域的科学家共同努力研发,需要大量科技人员和技术工人才能完成。我国还处于追赶阶段,不可能一蹴而就,但也不可能被完全扼杀。

作为我们普通人,能做的就是多支持国货,支持国内良心企业的发展。同时,培养好自己的孩子,让我们的孩子为国家之富强而学习!

今天的介绍就到这里,本视频部分内容参考了人民邮电出版社《光刻巨人ASML崛起之路》这本书,还参考了公开发表的一部分研究论文,特此表示感谢。

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