国产光刻呼之欲出！哈工大光刻光源技术获奖，未来是EUV的天下？

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2024年底，哈工大一项光刻机领域的研究获得科技奖，又一次引起了外界的关注。

那么，这项研究的具体情况是什么？我国在光刻机领域的研究进展，又达到了何种程度？

光刻光源领域的研究

这个奖项，是黑龙江省内的一项科技大赛奖。获奖的是哈尔滨工业大学航天学院的赵永蓬和他的团队。

放电等离子体，是其研究的项目，该技术属于极紫外光刻光源技术。简单来理解，这项研究是关于光刻机光源的。

顾名思义既然叫光刻机，“光”在芯片制造的过程中就相当重要。而这项研究，其能量转化效率较高，技术应用的难度也不大。

该技术可以提供中心波长为13.5纳米的极紫外光，而这一领域，正是目前光刻市场的急迫需求。

从此前公开的报道看，该项研究已持续多时。比如在2023年9月，赵永蓬曾在泉州师范学院，发表过一场关于光刻光源的演讲。

除此之外，哈尔滨工业大学整体围绕光刻光源的研究，在时间上就更长了。资料显示，20多年来，哈工大关于光刻光源的专利记录就有147条。

赵永蓬研究的领域，也属于国家科技重大专项02专项课题。整个哈工大，在2007年到2019年期间，在这一领域的研究成果和专利申请很多。

一部分重大的研究课题，是在2009年到2015年期间完成的。因此从整体上来看，普通大众是最近两年才频繁听到光刻机这个词的，而在科技界，围绕这一领域的研究实际上很早就展开了。

那么，赵永蓬研究的光刻光源项目，具体在芯片制造领域，又属于哪种类型呢？

极紫外光刻技术

近年来，普通大众听过了很多关于芯片和光刻机的消息。越高端的芯片，可以简单粗暴的理解为，芯片本身的体积更小。

越小，用到的光刻机设备自然就越复杂，整体技术也就更高端。所以说，光刻机可以轻松卡住芯片制造的脖子。

光刻机领域，最重要的又是光源，这一技术没有新突破，那么光源又会卡住光刻机本身的脖子。

光源如此重要，这就是为什么，当关注这一领域的人，得知赵永蓬的研究获奖后，在网上异常兴奋的缘故。

该项研究，在类型上属于极紫外光刻技术。极紫外光刻，中文名称又叫超紫外线平版印刷术，利用极紫外线的波长来实现刻写。它的英文简称叫EUV，所以网上常将其称为EUV光刻。

简单来说，刻写之前，在微芯片晶圆上涂抹感光材料，而后使其在极紫外光下曝光，这样所需要的图案，就能打印到晶圆上。

听起来并不复杂，但关键是其体积小，已经小到了微观状态。这样一来，对光源的波长就有了限制和要求。赵永蓬带领团队研究的，正是这一光刻技术所用到的光源。

关注芯片行业的人，经常会听到摩尔定律这个词。这个定律背后所代表的，是晶体管数量在芯片上的倍增。数量增加不怕，重点是在微缩的芯片上增加。

所以从物理的角度看，在制作工艺上势必就会遭遇局限。芯片很小，刻写设备本身很大，如何利用设备在肉眼不可见的芯片上刻写，而且还要让晶体管的数量继续增加，相当于微观世界的东西，在宏观世界里具象化了。

而这种越来越微小的过程，并不是一步到位的。EUV光刻之前，是DUV光刻技术。

它是深紫外光刻技术，在工作中，它应用的波长为153到248纳米，相对于此前的技术和产品，这已经可以在硅晶圆上，留下更微小的印记了。

从时间线来看，20多年前，各国就已经投入到EUV光刻技术领域的研究了。世人皆知的荷兰ASML公司，还在2003年就研制出了EUV光刻的原型机。

不过，技术从研究投入实际应用，中间又持续了将近10年的时间。在这个过程中，ASML公司一直在推动系统的更新。

随着技术研究的不断成熟，EUV光刻的波长，已经缩小到了13.5纳米。简单来说就是，所用的设备和技术更微观，微芯片的设计也就能更加精准。

越来越多的晶体管，可以被刻写在更小的微芯片上。智能手机的运行速度之所以能变快而体积又很小，正是因为芯片的运算能力在提升。

不过，EUV光刻机，目前还没有完全而彻底的占领市场。具体的原因，下面会提到。

先来看一下EUV光刻的核心，便是像赵永蓬这样的科研人员，重点关注的光源技术。

获得EUV光源的4种方法

赵永蓬研究的，是光源技术中的一种方案。而在EUV光刻过程中，所运用到的光源需要满足多种性能。

第一，光源的输出功率要达到百瓦量级，而且功率波动要小。你可以这样理解，这束光源，要照射在肉眼不可见的微芯片上，它产生的功率既要保证工作，但又不能光源刚照射到，就把微芯片给“烧”掉了。

第二，激光线宽要窄小，原因同第一点类似。

第三，系统效率要高。赵永蓬研究的项目，其能量转换效率就比较高。

第四，体积不能太大，重量也要控制在合适的范围。赵永蓬研究的光源设备，体积同样不大。

第五，能够长时间且高效率运转。

第六，维护和维修的成本低，赵永蓬的研究技术难度较低，便于维护。

第七，污染较低。

以上几种要求，只有同时得到满足，才符合EUV光刻所需要的光源。而在目前的研究中，有4中方法，可以获取EUV光刻光源。

其中之一的方法，便是赵永蓬研究的放电等离子体。另外三种是同步辐射源、激光等离子体、激光辅助放电等离子体。

重点来说一下赵永蓬研究的这一方案，同时和另外三种方案比较一下优劣。

放电等离子体的优点和缺点

放电等离子体光源，英文简称DPP，这一技术是将感光材料涂在阳极和阴极之间，两个电极在高压下会产生强烈放电，而后就能产生等离子体。接着等离子体被加热，最后产生EUV光。

这一光源的优点，是通过增大放电电流的功率来提高EUV光的输出功率，进而就能增加转化效率。

不过在产生等离子体的过程中，电极本身会产生热负荷而被腐蚀，这会导致一些关键元件的损坏。要避免这种情况，需要经常清理和更换电极。

除此之外，这一光源在产生的过程中，还会产生大量的光学碎屑，这些东西会损坏光学收集系统。

国内此前的一些研究中曾提到，这一缺点还没找到很好的解决办法。所以，目前并不知道赵永蓬的研究，是否解决了这个问题。

此外，激光辅助放电等离子体，和放电等离子体的技术相对接近，两者对比的话，前一种光源产生的光学碎屑比较少。

像ASML公司，还有日本的另一家企业，目前已基于激光辅助放电等离子体做出了EUV光源。

因此有研究就认为，在未来的发展趋势上，激光辅助放电等离子体会被更多的运用。

另外一种方案同步辐射源，它最大的优点是产生的功率很高，对光学元件不会产生碎屑污染。

但是它的缺点更明显，该方案很复杂，产生光源的装置设备体积过于庞大，制造起来难度大且成本很高。所以从推广应用的角度看，这一方案不实际。

这也是为什么，在一些报道中介绍赵永蓬的研究时，曾专门提到造价低和体积小这两个优势。

说明科研人员在研究的时候，对上述4中不同方法的优劣，都做了深度的研究和对比。

既然我们在光源技术领域取得了突破，那EUV光刻技术，什么时候能真正大规模应用开来？

还没有完全占领市场

目前，芯片领域7到5纳米节点的制作工艺，EUV光刻和DUV光刻都能实现。如果要进一步发展，DUV光刻就跟不上需求了，只有EUV光刻才能满足需要。

ASML此前也曾说过，相比DUV光刻的几种技术，EUV光刻能将金属层的制作成本降低9%，过孔制作成本降低28%。

优势相当明显，但EUV光刻机目前并没有彻底占领市场。原因是EUV光刻机的技术还不够完善，价格又非常昂贵。

而且在生产效率上，目前市场上使用的DUV光刻机，每小时操作的晶圆数量，是EUV光刻机的两倍还多。

所以对芯片制造商来说，新的设备哪怕优点明显，但如果价格昂贵、效率又跟不上的话，企业也不会大规模采购。

未来，光刻技术缩小到3纳米节点，EUV光源的功率就要提升到500瓦，如果进一步缩小到1纳米，功率就要提升到1000瓦。

也就是说，未来技术上的提升空间还很大。不过在目前，7纳米的芯片光刻，技术上已经能有保证，尤其是我国的技术研究，也都取得了实质性突破。

结语

赵永蓬的研究，为下一步的应用铺平了道路。除了赵永蓬团队，目前国内在该领域的研究还有其他科研人员。

在芯片制造领域，我们现在已经处在了变革的前夜。2024年9月，上海微电子装备公司，已经就EUV光刻发生装置和光刻设备，申请了一项发明专利。

所以说，过去我们被卡脖子，是因为在技术研究上没有突破。如今，诸多理论已经变成了研究成果，而一些研究也正在被逐步投入到应用中。

下一步，制造更小更强大的芯片，将不再仅是畅想了。最关键的是，国产光刻设备也就要呼之欲出了。

信息来源：

《激光等离子体13.5nm极紫外光刻光源进展》 中国光学 2020年2月

《讲座——赵永蓬：放电等离子体极紫外激光与光刻光源》 泉州师范学院 2023年9月16日