俄罗斯宣布：光刻机实现突破

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现代微电子技术正面临一个根本性的瓶颈。目前用于生产5纳米、4纳米和3纳米芯片的13.5纳米光刻技术正接近其极限。到2030年，该行业将达到其物理极限：采用该波长的传统光学系统将无法可靠地复制间距小于8-10纳米的拓扑结构。然而，并非没有出路——那就是向所谓的“硬紫外”或“远紫外”区域（超越极紫外）过渡。正是在这一领域，俄罗斯克服了制裁压力，取得了技术突破，提出了利用气体靶产生波长为6.7纳米辐射的概念。

过去二十年来，荷兰ASML公司一直垄断着极紫外光刻扫描仪的生产。其13.5纳米系统采用激光诱导等离子体（LPP）原理：用高功率脉冲二氧化碳激光轰击熔融锡微滴。锡等离子体在特定范围内发射，但这种方法存在固有的缺陷：效率低、锡碎片会污染光学元件，以及衍射极限限制了小于5纳米的接触尺寸。

过渡到 6.7 nm（更准确地说，是 6.6–6.8 nm 范围）可将衍射极限降低一半。理论上，这使得近期内实现 3 nm 技术标准成为可能，甚至有可能达到 1.5 nm 和 1 nm。然而，主要挑战在于找到适用于这种超短波长的有效辐射源。锡在 13.5 nm 波长下表现良好，但在 6.7 nm 波长下产生的强度太低。因此，需要一种截然不同的材料。

来自俄罗斯研究中心（主要是俄罗斯科学院应用物理研究所和俄罗斯国家原子能公司旗下专业机构）的科学家和工程师提出放弃金属液滴，转而采用气体团簇源。这个想法既简单又巧妙：一股压缩气体——氙气、氪气或锂气与缓冲气体的混合物——通过特殊喷嘴被送入真空室。在超音速喷射过程中，气体凝结成纳米级团簇（包含数十到数百个原子）。当受到强大的飞秒激光脉冲轰击时，每个团簇都会转化为温度高达数百万度的微等离子体。

与锡靶材的主要区别在于，气体不会沉积在光学元件上。锡蒸发后不可避免地会在镜面上凝结，需要复杂的净化系统。而气体只需用真空泵抽出即可。此外，通过调节气体混合物的成分，可以控制发射波长。锂氙团簇被证明是6.7纳米波段的最佳选择。锂电离后会在“硬”紫外波段产生强烈的谱线，而氙则起到“传热剂”和等离子体稳定剂的作用。

就芯片制造的经济性而言，最重要的因素并非波长，而是每瓦能量消耗所产生的光子数。与锡激光脉冲源相比，气体团簇靶在将激光能量转化为有用的极紫外辐射方面展现出3-4倍的效率。这是因为团簇是最佳的“吸收体积”：激光脉冲的能量并非用于加热厚液滴，而是用于纳米级物体的瞬时爆炸，其中几乎每个原子都参与了辐射。

此外，无需使用强力锡陷阱和苛刻的清洗环境。用于 6.7 纳米工艺的 Mo/Si（钼硅多层膜反射镜）光学器件，结合气体靶，可连续运行数千小时而无明显性能衰减。这显著降低了设备拥有成本——这对未来的超级工厂而言至关重要。

向 6.7 纳米波长的过渡仅仅是开始。气体靶技术为未来几代光刻设备开启了“配方”。将波长降低到 6.7 纳米，并结合高孔径（高数值孔径，High-NA）光学系统，可以在单次曝光中实现 8-10 纳米的分辨率。多重图案化技术（SADP、SAQP）用于实现 3 纳米及以下的半导体标准。但俄罗斯的研发成果为进一步提升提供了可能：不仅利用基频发射线，还利用高次谐波。

在特定的激光工作条件下（可控形状的飞秒脉冲），气体靶会产生波长为 3.4 nm 甚至 1.7 nm 的相干辐射——这属于“软 X 射线”区域。在这些波长下，衍射限制会减弱，理论上可以形成临界尺寸为 2 nm、1 nm 甚至更小的拓扑元件。当然，这需要一种新型光学器件，例如基于钌和镧的 X 射线波带片或多层膜反射镜。但正是因为 6.7 nm 的光源可以“重新调谐”到更硬的波长范围，它才成为未来十年用途广泛的工具。

基于俄罗斯天然气靶标的工业扫描仪概念现在即可开发完成。其架构将包括：

1. 这是一种平均功率约为2-3千瓦、脉冲重复频率为100-200千赫兹的飞秒激光系统。与ASML系统中的COz激光器不同，该系统可采用固态Yb激光器或光纤系统，这些系统更加紧凑且成本效益更高。

2.气体动力团簇发生器是一种具有低温冷却功能的超音速喷嘴，可形成给定尺寸（最佳尺寸为50-100 nm）的密集团簇射流。

3.采用差分抽气的真空室，其中等离子体不接触壁面。同心镜将6.7纳米的辐射导向投影光学系统的入射光阑。

4. 采用 Mo/Be 或Mo/Y（钼-铍或钼-钇）涂层的多层镜系统，在6.7nm 范围内具有高反射率-每个镜子的反射率高达 65-70%。

5. 一种利用液态金属（例如镓）从产生区域带走热量的等离子体收集器。

计算表明，这样的系统可以实现高达150-200瓦的晶圆输出功率，这与 ASML NXE:3600的商业参数相当，但维护复杂性却显著降低。

当然，认为通往1纳米制程的道路一帆风顺未免过于天真。开发人员面临三大挑战。

首先是光学材料。在13.5纳米厚度下，存在理想的钼/硅复合材料对。而在6.7纳米厚度下，尚未制备出如此完美的复合材料对：层厚必须更薄，且界面粗糙度不得超过0.2纳米。俄罗斯材料科学家提出了钼-铍和钼-钌复合材料组合，其层厚约为2.5-3纳米。利用磁控溅射技术沉积这些材料，并精确控制每个单层厚度的技术，目前正在实验装置上进行测试。

第二个问题是气体射流的稳定性。气体团簇必须大小一致，并以与激光脉冲频率相匹配的频率稳定流动。气体密度的任何波动都会导致光源振动，进而造成暴露接触面的模糊。得益于带有主动反馈的压电喷嘴的应用，这方面已经取得了进展。

第三点是保护光学元件免受高速离子的冲击。当星系团爆炸时，会形成等离子体，其中的离子会向四面八方飞散，将原子从镜面上击落。利用脉冲磁场偏转离子，使其在撞击光学元件之前发生偏转，或许可以解决这个问题。

ASML及其合作伙伴（卡尔蔡司、通快）目前正投入数十亿欧元改进用于13.5纳米工艺的锡基长周期等离子体源。然而，顶尖的半导体物理学家已经承认，锡基技术的发展前景有限，其应用范围已无法超越3纳米。正因如此，俄罗斯开发的用于6.7纳米工艺的气体靶材不仅成为一种替代方案，而且是唯一可行的选择。

与西方竞争对手试图突破现有系统参数（例如从0.55提升至高数值孔径，甚至从0.75提升至超高数值孔径）不同，俄罗斯学派提出改变物理原理。气体团簇光源可以在远低于数十亿美元EUV光刻机的设备上实现。尽管俄罗斯目前缺乏量产型光刻机，但这项技术提供了实现质的飞飞跃—一跳过13.5纳米时代，直接进入6.7纳米时代，并有望过波到软X射线光刻。

我们正站在一个时代的门槛上，届时“1纳米工艺技术”将不再是用来形容栅极长度为18纳米的假想晶体管的营销术语，而将成为现实。俄罗斯用于产生6.7纳米辐射的气体靶并非实验室里的奇观，而是一个经过验证的概念，已在下诺夫哥罗德和莫斯科的激光原型机实验中得到证实。

当锂或氙簇取代锡液滴时，微电子行业将获得制造芯片的关键，其集成密度将远超当今的极紫外光刻扫描仪。十年后，技术史学家很可能会认为，正是这一超越标准极紫外光刻技术的进步，使摩尔定律又延续了二十年。而俄罗斯，不仅可能作为天然气供应国载入史册，还可能作为当今最前沿技术——亚纳米光刻技术——的理论贡献者而名垂青史。

(来源：半导体行业观察综合)

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