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光源中的光源

时间:2022-04-03 17:19:50 作者:模组小王 点击:791次

【摘要】光源中的光源当前,芯片问题广受关注,而半导体工业皇冠上的明珠——以极紫外(EUV)光刻机为代表的高端光刻机,则是我国集成电路(IC)产业高质量发展必须迈过的“如铁雄关”。如何在短期内加快自主生产高端光刻机的步伐,......

光源中的光源

当前,芯片问题广受关注,而半导体工业皇冠上的明珠——以极紫外(EUV)光刻机为代表的高端光刻机,则是我国集成电路(IC)产业高质量发展必须迈过的“如铁雄关”。


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如何在短期内加快自主生产高端光刻机的步伐,打破国外的技术封锁和市场垄断?笔者认为,应找准关键技术,攻克核心设备,跻身上游产业。


认清光刻关键技术


对于光刻机,凭什么美国可以左右荷兰阿斯麦公司(ASML)EUV光刻机的出海国家?ASML又为什么“愿意”听从美国的“摆布”?


一方面,美国在ASML早期研发阶段给予大力扶持,帮助其获取最新的研究成果;作为继续扶持ASML的条件之一,ASML供应链里至少要有55%的美国供应商。


另一方面,在美方协助下,ASML得以顺利收购几大可能阻碍其技术升级的关键供应商,例如通过收购全球准分子激光器龙头企业美国Cymer公司,控制了EUV产业链上除镜片组外最重要一环——13.5纳米极紫外光光源。


鉴于此,美国通过下注ASML及推动其在上游产业建立技术壁垒,完成了对光刻机产业链的控制。


从技术层面看,Cymer公司采用的是激光等离子(LPP)技术路线,这一技术离不开泵浦激光器。


泵浦激光器是德国TRUMPF公司专门量身定制的正方形折叠腔轴快流二氧化碳(CO2)激光器,它的原理是由高功率密度、高重频、波长10.6微米的激光束照射锡液滴(液相锡靶),光/热复合致锡原子电离,锡等离子体直接辐射波长13.5纳米、功率约250瓦的极紫外光。


这是国际公认的最具工程实现价值的技术路线,其他如同步辐射、自由电子激光等方法距离规模化应用还差很远。


攻克EUV光源核心设备


笔者认为,如果我国能提供财力、人力、物力,精准定位并攻克LPP关键技术,还是有望打破高端光刻产业技术瓶颈的。


EUV光刻机是一套极其复杂的光机电系统,主要核心设备是EUV光源、光学镜组、高速超精密运动双工件台,其中EUV光源是光刻机最核心设备,而高端CO2激光器又是EUV光源更基础的核心设备,是“光源中的光源”。


因此,我们应首先攻克高端CO2激光器,研制比轴快流更先进的大功率板条波导(SLAB)CO2激光器,即万瓦级的SLAB CO2激光器件,打造具有国际竞争力的高精尖端气体激光器产品,在EUV光源供应链中对标德国TRUMF公司。


第二步,攻克EUV光源。目前,Cymer公司采用液相锡靶的LPP方案研制的EUV光源仅能输出约250瓦极紫外光,使ASML的EUV光刻机每天只能处理约200片晶圆,生产速度和效益较低,不能满足IC制造商有关日处理300~500片及以上晶圆的急迫要求。


要想实现此目标,EUV光源需要提高30%以上输出功率,而液相锡靶LPP技术很难再提高。


如果用更先进的CO2激光器结合全新概念的气相锡靶技术方案,研制更大功率EUV光源,将使我们快速跻身核心零部件提供商行列。


如能攻克这两个核心设备,成为独立掌握极紫外光源制造技术的国家,将大幅提升我国在高端光刻机国际市场的话语权。


关键成果及技术难点


CO2激光器作为EUV光刻机的核心部件,引发全球对气体激光技术的重新认知。这充分说明气体激光器是一类非常重要的激光器件。


CO2激光器已发展4代,而今标志性的SLAB气体激光技术是国际能量光器件制造商们追逐的技术高地。


德国Rofin公司是全球第一家拥有SLAB专利技术体系、能够生产千瓦级以上SLAB激光器件的企业。美国Coherent公司2016年出资9.34亿美元收购了Rofin,获得梦寐以求的SLAB技术。


目前,我国是国际上第二家独立拥有SLAB专利技术体系、能够生产千瓦级以上SLAB激光器件的国家,并创新性研发了“板条放电预电离横向激励大气压激光器”,为打造具有国际竞争力的尖端气体激光器产品、跻身高端光刻机全球产业链奠定了知识产权和产业化基础。


凭借相关技术储备,我国有机会在较短时间内攻克万瓦级SLAB CO2激光器核心设备。不过,研制EUV光源会面临三大技术难关:一是精密流量控制的气相锡靶;二是激光束照射方式;三是极紫外光收集镜制造和镀膜。


SLAB CO2激光器性能优于轴快流激光器,中国有机会走一条“继承+创新”的技术路线,推出更先进的CO2激光器,再攻克更大功率的EUV光源,成为EUV光刻机全球供应链中关键一环。

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