为什么光刻设备会那么神奇?

美国科技公司Zyvex Labs于9月21日宣布推出了世界上分辨率最高的电子束光刻设备，该设备可以加工分辨率约为0.8纳米的硅片。要知道，TSMC上个月才宣布要到2025年才能量产2纳米制程芯片，这家公司突然把光刻设备拉到0.8 nm，听起来真的很神奇。

要知道TSMC的2nm只是一个工艺代号，并不代表这个工艺加工的晶体管最小尺寸只有2nm。事实上，即使采用极紫外光刻(EUV)，TSMC 2nm工艺晶体管的最小结构尺寸也在10nm左右。Zyvex Labs声称0.8 nm是一个真实的设备性能指标，这确实表明用这种电子束光刻设备加工的芯片的最小尺寸可以达到0.8纳米。

电子束光刻设备能否直接替代目前最先进的极紫外光刻机？因为它不是传统的光刻机，所以还不能用于芯片的量产。

光刻机实际上可以理解为一个非常复杂的投影仪，灯泡是光刻机的光源；带有图案的投影幻灯片是芯片制造中需要的掩模板；投影的幕布是我们需要加工的硅片。硅晶片上涂有光刻胶，光刻胶在被光照射的地方溶解。因此，各种芯片结构被处理。

投射的光就像一把切肉刀，光的波长越短，切肉刀就越锋利，可以加工的芯片结构就越精细。光投影可以达到的最精细的图像分辨率与它所使用的光的波长相似。比如现在最先进的极紫外光刻机(EUV)，使用的是波长只有13.5纳米的极紫外光，能达到的分辨率大概是13纳米。

光刻机的每一次大迭代都和光源的突破有关，上一代深紫外光刻机(DUV)使用的是波长为193纳米的深紫外光，科学家用了20年才突破波长更短的极紫外光。而要找到比极紫外光波长更短的光源，这就非常困难了。但是有一种东西可以作为光的替代品——那就是电子。

高中物理课上，我们都学过一个概念叫“波粒二象性”，就是物理粒子其实都有对应的波长。如果把电子投射成光来做光刻机，分辨率会高很多！事实上，科学家们早就想到了这个想法。早在20世纪90年代，他们就生产出了第一代电子束光刻设备，其分辨率几乎可以达到20纳米。

电子束光刻设备这么早就出现了，但是却在芯片的批量加工上迟迟无法突破。这是因为，电子束光刻虽然精度高，但是有一个致命的弱点，就是加工速度很慢。与光子不同，电子具有明显的相互排斥性，如果一次发射太多电子，电子会互相排斥，导致成像紊乱。

电子束光刻设备就像一把“雕刻刀”，在硅片上一块一块的雕刻出图案。相比之下，光刻机和印刷一样，可以一次将整个硅片都覆盖上图案，加工效率简直是天壤之别。

那么，这种听起来很牛逼的电子束光刻设备不是没有实际用途吗？虽然电子束光刻不能用于大规模生产芯片，但它在芯片加工中也起着非常重要的作用。

首先，电子束光刻是用于加工掩模的最重要的方法之一。如前所述，掩膜版是掩膜版光刻机用来在硅片上形成投影的“滑板”，是芯片光刻的“模具”。它对芯片生产的重要性，就像雕版印刷中使用的雕版一样，是芯片每一道工序的图案参考。除了掩模加工，电子束光刻在量子计算芯片、超曲面芯片等前沿黑科技的样品加工中也发挥着不可替代的作用。

那下一代光源会有什么突破？清华大学通过控制电子束的高速振动产生高能紫外辐射，从而获得波长只有几纳米、功率几百瓦的高质量极紫外光。这项技术被称为“稳态微多光束光源”，是下一代光刻机光源的有力竞争者，可能成为国产光刻机弯道超车的机会。