北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心高鵬研究組基于掃描透射電子顯微鏡發(fā)展了四維電子能量損失譜技術(shù)，突破了傳統(tǒng)譜學(xué)手段難以在納米尺度表征晶格動(dòng)力學(xué)的局限，首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面處局域聲子模式的測(cè)量，近日更是被《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》列為2021年度中國(guó)半導(dǎo)體十大研究進(jìn)展。
這項(xiàng)科技成果的誕生，不僅是我國(guó)高端科學(xué)儀器領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，更為實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)EUV光刻機(jī)、掌握芯片核心技術(shù)、攻克國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體核心技術(shù)壁壘增添了動(dòng)力。
四維電子能量損失譜測(cè)量界面晶格動(dòng)力學(xué)：
（a）實(shí)驗(yàn)原理示意圖；（b）實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聲子局域態(tài)密度空間分布；（c）界面模式的色散關(guān)系。
芯片的重要性不用再說(shuō)，一直被稱(chēng)為“現(xiàn)代工業(yè)的糧食”。芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟“光刻”需要光刻機(jī)來(lái)完成，因此，光刻機(jī)又被稱(chēng)為“現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花”，是盤(pán)活國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體行業(yè)的“齒輪”。
光刻機(jī)科技含量高，制造工序復(fù)雜，僅荷蘭ASML的一款EUV光刻機(jī)就需要來(lái)自全球35個(gè)國(guó)家5000多家企業(yè)的10萬(wàn)多個(gè)元器件，并且其中90%的零部件也都是依賴(lài)于進(jìn)口。
目前，全球僅有三個(gè)國(guó)家的四家公司能夠制造，荷蘭ASML與日本的佳能、尼康占據(jù)了全球光刻機(jī)市場(chǎng)99%的份額。
其中，ASML市場(chǎng)份額常年高達(dá)60%以上，呈現(xiàn)霸主壟斷地位，并且完全地壟斷了超高端光刻機(jī)領(lǐng)域；日本的尼康和佳能曾經(jīng)非常領(lǐng)先，但后來(lái)被ASML超越，現(xiàn)在只能生產(chǎn)中低端光刻機(jī)；我國(guó)的上海微電子的封測(cè)光刻機(jī)做得不錯(cuò)，但前道光刻機(jī)還有差距。
說(shuō)完市場(chǎng)，再論技術(shù)。
EUV光刻機(jī)一般指極紫外線光刻機(jī)，是生產(chǎn)7nm工藝以下芯片的必要設(shè)備。制造EUV光刻機(jī)最為關(guān)鍵的三大核心組件包括極紫外光源、雙工件臺(tái)和鏡頭。攻克這三關(guān)，制造EUV光刻機(jī)指日可待。
極紫外光源是頂級(jí)光源，ASML在2012年通過(guò)收購(gòu)美企Cymer掌握了此項(xiàng)技術(shù)。我國(guó)的上海光機(jī)所和長(zhǎng)春光機(jī)所已經(jīng)突破了14納米極紫外光源技術(shù)，即將轉(zhuǎn)入到實(shí)際成果的投用環(huán)節(jié)。
雙工件臺(tái)屬于精密儀器制造技術(shù)，之前是ASML獨(dú)家掌握的技術(shù)，目前清華旗下的華卓精科已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破，成為了全球第二家掌握光刻機(jī)雙工件臺(tái)技術(shù)的企業(yè)，已成功供貨上海微電子。
三大核心組件中，最重要的是高精度鏡頭，一直被德國(guó)蔡司壟斷。就算是光刻機(jī)巨頭ASML的鏡頭也得依賴(lài)德國(guó)蔡司，而且30多年來(lái)，ASML對(duì)蔡司的依賴(lài)越來(lái)越嚴(yán)重。
EUV光學(xué)鏡頭由于技術(shù)壁壘高、突破難度大。因?yàn)槎际菤W洲企業(yè)，ASML可以依賴(lài)蔡司，我們中國(guó)卻不能，因?yàn)椤锻呱{協(xié)議》。
如今，ASML想要研發(fā)更先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，就需要更大數(shù)值孔徑的鏡頭。但這對(duì)蔡司來(lái)說(shuō)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，畢竟數(shù)值越大，制作難度就越大。
德國(guó)蔡司的鏡頭是人工打磨，屬于傳統(tǒng)譜學(xué)制成的EUV光鏡。而EUV光鏡決定著EUV光刻機(jī)的制程上限，基于傳統(tǒng)譜學(xué)的EUV光鏡很難滿(mǎn)足硅基半導(dǎo)體未來(lái)發(fā)展的需求。即使是非常厲害的蔡司，往更高精度發(fā)展，也會(huì)越來(lái)越難以保證。
現(xiàn)下，北京大學(xué)掌握的這項(xiàng)新型掃描透射電子顯微鏡技術(shù)，就可以規(guī)避傳統(tǒng)光譜鏡頭的局限性，能向更高精度發(fā)展。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光學(xué)鏡頭做不到的，電子鏡頭能做到。光學(xué)鏡頭能做到的，電子鏡頭也能做到，而且精確性更高。
加上上海光機(jī)所、長(zhǎng)春光機(jī)所的極紫外光源技術(shù)和華卓精科雙工件臺(tái)技術(shù)，我國(guó)圍繞EUV光刻機(jī)的相關(guān)技術(shù)正在陸續(xù)突破，接下就是提高精度，實(shí)現(xiàn)合圍了。
國(guó)內(nèi)光刻機(jī)技術(shù)的陸續(xù)突破，主要源于我們?cè)缇筒季郑⒉皇墙陙?lái)才起步。這跟我們的高端科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)鏈一樣，各項(xiàng)技術(shù)環(huán)節(jié)都在攻堅(jiān)，相信不遠(yuǎn)的未來(lái)一定能夠?qū)崿F(xiàn)突破。
