俄羅斯宣布：光刻機實現突破

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現代微電子技術正面臨一個根本性的瓶頸。目前用于生產5納米、4納米和3納米芯片的13.5納米光刻技術正接近其極限。到2030年，該行業將達到其物理極限：采用該波長的傳統光學系統將無法可靠地復制間距小于8-10納米的拓撲結構。然而，并非沒有出路——那就是向所謂的“硬紫外”或“遠紫外”區域（超越極紫外）過渡。正是在這一領域，俄羅斯克服了制裁壓力，取得了技術突破，提出了利用氣體靶產生波長為6.7納米輻射的概念。

過去二十年來，荷蘭ASML公司一直壟斷著極紫外光刻掃描儀的生產。其13.5納米系統采用激光誘導等離子體（LPP）原理：用高功率脈沖二氧化碳激光轟擊熔融錫微滴。錫等離子體在特定范圍內發射，但這種方法存在固有的缺陷：效率低、錫碎片會污染光學元件，以及衍射極限限制了小于5納米的接觸尺寸。

過渡到 6.7 nm（更準確地說，是 6.6–6.8 nm 范圍）可將衍射極限降低一半。理論上，這使得近期內實現 3 nm 技術標準成為可能，甚至有可能達到 1.5 nm 和 1 nm。然而，主要挑戰在于找到適用于這種超短波長的有效輻射源。錫在 13.5 nm 波長下表現良好，但在 6.7 nm 波長下產生的強度太低。因此，需要一種截然不同的材料。

來自俄羅斯研究中心（主要是俄羅斯科學院應用物理研究所和俄羅斯國家原子能公司旗下專業機構）的科學家和工程師提出放棄金屬液滴，轉而采用氣體團簇源。這個想法既簡單又巧妙：一股壓縮氣體——氙氣、氪氣或鋰氣與緩沖氣體的混合物——通過特殊噴嘴被送入真空室。在超音速噴射過程中，氣體凝結成納米級團簇（包含數十到數百個原子）。當受到強大的飛秒激光脈沖轟擊時，每個團簇都會轉化為溫度高達數百萬度的微等離子體。

與錫靶材的主要區別在于，氣體不會沉積在光學元件上。錫蒸發后不可避免地會在鏡面上凝結，需要復雜的凈化系統。而氣體只需用真空泵抽出即可。此外，通過調節氣體混合物的成分，可以控制發射波長。鋰氙團簇被證明是6.7納米波段的最佳選擇。鋰電離后會在“硬”紫外波段產生強烈的譜線，而氙則起到“傳熱劑”和等離子體穩定劑的作用。

就芯片制造的經濟性而言，最重要的因素并非波長，而是每瓦能量消耗所產生的光子數。與錫激光脈沖源相比，氣體團簇靶在將激光能量轉化為有用的極紫外輻射方面展現出3-4倍的效率。這是因為團簇是最佳的“吸收體積”：激光脈沖的能量并非用于加熱厚液滴，而是用于納米級物體的瞬時爆炸，其中幾乎每個原子都參與了輻射。

此外，無需使用強力錫陷阱和苛刻的清洗環境。用于 6.7 納米工藝的 Mo/Si（鉬硅多層膜反射鏡）光學器件，結合氣體靶，可連續運行數千小時而無明顯性能衰減。這顯著降低了設備擁有成本——這對未來的超級工廠而言至關重要。

向 6.7 納米波長的過渡僅僅是開始。氣體靶技術為未來幾代光刻設備開啟了“配方”。將波長降低到 6.7 納米，并結合高孔徑（高數值孔徑，High-NA）光學系統，可以在單次曝光中實現 8-10 納米的分辨率。多重圖案化技術（SADP、SAQP）用于實現 3 納米及以下的半導體標準。但俄羅斯的研發成果為進一步提升提供了可能：不僅利用基頻發射線，還利用高次諧波。

在特定的激光工作條件下（可控形狀的飛秒脈沖），氣體靶會產生波長為 3.4 nm 甚至 1.7 nm 的相干輻射——這屬于“軟 X 射線”區域。在這些波長下，衍射限制會減弱，理論上可以形成臨界尺寸為 2 nm、1 nm 甚至更小的拓撲元件。當然，這需要一種新型光學器件，例如基于釕和鑭的 X 射線波帶片或多層膜反射鏡。但正是因為 6.7 nm 的光源可以“重新調諧”到更硬的波長范圍，它才成為未來十年用途廣泛的工具。

基于俄羅斯天然氣靶標的工業掃描儀概念現在即可開發完成。其架構將包括：

1. 這是一種平均功率約為2-3千瓦、脈沖重復頻率為100-200千赫茲的飛秒激光系統。與ASML系統中的COz激光器不同，該系統可采用固態Yb激光器或光纖系統，這些系統更加緊湊且成本效益更高。

2.氣體動力團簇發生器是一種具有低溫冷卻功能的超音速噴嘴，可形成給定尺寸（最佳尺寸為50-100 nm）的密集團簇射流。

3.采用差分抽氣的真空室，其中等離子體不接觸壁面。同心鏡將6.7納米的輻射導向投影光學系統的入射光闌。

4. 采用 Mo/Be 或Mo/Y（鉬-鈹或鉬-釔）涂層的多層鏡系統，在6.7nm 范圍內具有高反射率-每個鏡子的反射率高達 65-70%。

5. 一種利用液態金屬（例如鎵）從產生區域帶走熱量的等離子體收集器。

計算表明，這樣的系統可以實現高達150-200瓦的晶圓輸出功率，這與 ASML NXE:3600的商業參數相當，但維護復雜性卻顯著降低。

當然，認為通往1納米制程的道路一帆風順未免過于天真。開發人員面臨三大挑戰。

首先是光學材料。在13.5納米厚度下，存在理想的鉬/硅復合材料對。而在6.7納米厚度下，尚未制備出如此完美的復合材料對：層厚必須更薄，且界面粗糙度不得超過0.2納米。俄羅斯材料科學家提出了鉬-鈹和鉬-釕復合材料組合，其層厚約為2.5-3納米。利用磁控濺射技術沉積這些材料，并精確控制每個單層厚度的技術，目前正在實驗裝置上進行測試。

第二個問題是氣體射流的穩定性。氣體團簇必須大小一致，并以與激光脈沖頻率相匹配的頻率穩定流動。氣體密度的任何波動都會導致光源振動，進而造成暴露接觸面的模糊。得益于帶有主動反饋的壓電噴嘴的應用，這方面已經取得了進展。

第三點是保護光學元件免受高速離子的沖擊。當星系團爆炸時，會形成等離子體，其中的離子會向四面八方飛散，將原子從鏡面上擊落。利用脈沖磁場偏轉離子，使其在撞擊光學元件之前發生偏轉，或許可以解決這個問題。

ASML及其合作伙伴（卡爾蔡司、通快）目前正投入數十億歐元改進用于13.5納米工藝的錫基長周期等離子體源。然而，頂尖的半導體物理學家已經承認，錫基技術的發展前景有限，其應用范圍已無法超越3納米。正因如此，俄羅斯開發的用于6.7納米工藝的氣體靶材不僅成為一種替代方案，而且是唯一可行的選擇。

與西方競爭對手試圖突破現有系統參數（例如從0.55提升至高數值孔徑，甚至從0.75提升至超高數值孔徑）不同，俄羅斯學派提出改變物理原理。氣體團簇光源可以在遠低于數十億美元EUV光刻機的設備上實現。盡管俄羅斯目前缺乏量產型光刻機，但這項技術提供了實現質的飛飛躍—一跳過13.5納米時代，直接進入6.7納米時代，并有望過波到軟X射線光刻。

我們正站在一個時代的門檻上，屆時“1納米工藝技術”將不再是用來形容柵極長度為18納米的假想晶體管的營銷術語，而將成為現實。俄羅斯用于產生6.7納米輻射的氣體靶并非實驗室里的奇觀，而是一個經過驗證的概念，已在下諾夫哥羅德和莫斯科的激光原型機實驗中得到證實。

當鋰或氙簇取代錫液滴時，微電子行業將獲得制造芯片的關鍵，其集成密度將遠超當今的極紫外光刻掃描儀。十年后，技術史學家很可能會認為，正是這一超越標準極紫外光刻技術的進步，使摩爾定律又延續了二十年。而俄羅斯，不僅可能作為天然氣供應國載入史冊，還可能作為當今最前沿技術——亞納米光刻技術——的理論貢獻者而名垂青史。

(來源：半導體行業觀察綜合)

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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