光刻技术，有哪些突围路径？

假期期间，俄媒CNews报道称，圣彼得堡已开发出两个用于生产微电子纳米结构的装置，可能解决俄罗斯在微电子领域方向的主权问题，包括两个设备，一个是在基板上进行无掩模的光刻装置，另一个是硅的等离子体化学刻蚀设备。

具体来说，无光罩纳米光刻设备成本在500万卢布（约合36.6万人民币）以内，相当于中国一辆质量良好的车，而外国类似平台成本则高出十倍，要花费数十亿卢布。据开发人员称，传统光刻技术需要使用专门掩模版来获取图像，该装置则由专业软件控制，实现完全自动化。

硅的等离子体化学刻蚀设备则用在光刻工序之后，可直接用于形成纳米结构，也可以制作硅模，如用于船舶的超压传感器。在此类装置上制造的“在可靠性和灵敏度上都高于液体或激光蚀刻方法的膜。”他们还强调，这是一种完全国产的产品。

俄罗斯所说的光刻机究竟是什么？国内有吗？

断供后，俄罗斯日常突破

先不谈技术，其实俄媒CNews是一个很"咋呼"的媒体，时常传出重大突破的新闻，可能比我们国内某些标题党还厉害。让我们先"品鉴"一下俄罗斯的光刻"突破"之路：

2022年4月，CNews称，莫斯科电子技术学院 (MIET）承接贸工部开发制造芯片的光刻机项目，该项目由俄罗斯政府首期投资6.7亿卢布资金（约合5100万元人民币）。

研发光刻机计划达到EUV级别，但技术原理完全不同，是基于同步加速器和/或等离子体源”的无掩模X射线光刻机。

2022年10月，CNews又称，俄罗斯科学院下诺夫哥罗德应用物理研究所（ IPF RAS ）在积极研发可生成7nm芯片的光刻机，而当时的专家还指出，在输出方面，同等辐射源功率下，俄罗斯的设备效率比ASML高1.5倍～2倍。

CNews指出，IPF RAS计划在六年内打造出俄罗斯自产7nm光刻机的工业样机，2024 年将创建一台“Alpha机器”，2026创建"测试机"，2026年～2028年俄罗斯本土光刻机将获得更强大的辐射源，改进的定位和进给系统，并将开始全面的工作，2028年，这些设备全面运行。

2023 年3月，CNews又称，俄罗斯工贸部下令开发和开发用于微电子生产的光刻材料，特别是光刻胶生产，该部将为这项工作支付11亿卢布。

具体包括FR248-01、FR248-02、FR248-03、FR248-04、FR248-05牌号和两种抗反射涂层PA248-01、PA248-02。

当然，CNews也并非完全没有"理性"。该媒在文章中指出："众所周知，截至2023年10月，俄罗斯依然无法使用现代技术工艺生产芯片，但该国最多可以获得65nm的工艺，这个工艺在近20年前就已经过时了。现在，一个28nm工厂的建设正在进行中，这一技术过程早已失去了相关性——4nm技术过程早已被掌握，并于2023年向3nm过渡。"

光刻方法，比想象中要多

我们都知道，科学成果与实际应用存在"时差"，成果转化可能没有想象中那么快。无论是俄罗斯，还是全世界，都迫切希望能够不被ASML卡脖子。那么俄罗斯的思路能行吗？

首先，我们需要了解，光刻系统并非只有现在AMSL所使用的光学光刻（DUV/EUV），而是多种多样的。

光学光刻等于是经过历史层层筛选，最终胜出的技术，并从紫外光刻技术（UV）、深紫外光刻技术（DUV）和极紫外光刻技术（EUV）不断向前延伸，其波长也从436nm、365nm、248nm，不断向193nm、13.5nm不断延伸。除了光学光刻，大部分光刻技术都不能满足大规模生产需求，直写光刻这种技术，一般又大多做掩模版或定制化芯片。

光刻主要方法总结，制表｜电子工程世界

俄罗斯这次一直强调的无掩模光刻，是什么？

掩模（并非掩膜，不是一种薄膜，可以理解成模具），就相当于是生产芯片的底片，它相当于是用设计出来的芯片图纸，做成一个比芯片大十倍或者百倍的底片，再通过光刻机各种光学照射，照射到芯片上，此后就是我们熟悉的涂覆光刻胶、刻蚀之类的步骤。

掩模成本很高，在16/14nm制程中，掩模成本在500万美元左右，7nm制程成本就会到达1500万美元。

掩模本身也是光刻出来的，使用的是直写光刻，是一种无掩模光刻技术。

所以，俄罗斯想突破的，实际上就是一种早就在掩模制造使用的技术。很多光刻都是直写光刻，分成两类：一种是基于带电粒子的直写光刻（CPML），包括电子束直写、离子束直写等；另一种是基于光学的直写光刻（OML），包括干涉光刻、激光直写光刻、基于空间光调节器的光刻技术等。

但是这些技术为什么只用来造掩模版呢？因为这些技术"慢"到没朋友，有得必有失，虽然有了不用掩模的优点，但生产效率低是致命的。如果按照这个速度生产，不仅产量低，芯片也会贵到让普通人买不起。

所以，科学家和产业界非常富有想象力了，用直写光刻造一些掩模，再用放进EUV光科机里大批量生产芯片，非常“套娃”，不过管用。

直写光刻还有一个重要作用，就是定制芯片，因为花大价钱造好的掩模是无法修改的，所以直写光刻会在这些领域拥有许多重要用途。

那么，俄罗斯看好X射线光刻又是什么呢？

实际上，ASML制造的光刻机里也是X射线，但它是软X射线，我们所说的X射线光刻机利用的是硬X射线，这也是无掩模光刻中的一种。

科普一下：X射线又称伦琴射线，是一种波长介于紫外线与γ射线之间的电磁波，波长约为0.01~10nm，其能量范围为100eV-100 keV。根据能量高低可以分为硬X射线和软X射线：能量为1～10 keV，波长为0.2～0.1 nm以下的称之为硬X射线，波长大于0.1 nm则称之为软X射线。

这意味着，X射线光刻机中使用的X射线的波长（0.01nm～10nm）比EUV（13.5nm）还要短，因此光刻分辨率要高很多。

光从表面的参数来看，X射线光刻确实比ASML还要先进，甚至ASML都做不出来。但可惜的是，现在这项技术的实际生产速率也慢得没朋友。

世界不是没有研究这项技术，美国、欧洲、中国都有科研机构着重研究了这项技术，但生产效率太低，所以只适合特定场景。

所以，除了EUV，我们没有任何其它手段了吗？那也未必，纳米压印光刻是现在离产业化比较近的一个。

在2020年和2021年国际器件与系统路线图（IRDS）中，我们可以看到都有一个纳米压印光刻技术与EUV光刻并列在一起，但2022年的IRDS中，又删除了这张路线图，为什么会这样？

制程工艺发展路线及潜在技术[18]

纳米压印是一种采用传统机械模具微复型原理的光刻技术。简单来说，就是大力出奇迹，就像盖章一样，把栅极长度只有几纳米的电路刻在印章上，再将印章盖在橡皮泥上，得到与印章相反的图案，经过脱模就能够得到一颗芯片。

虽然纳米压印光刻不需要掩模，但它需要一种比掩模还难造的"模板"，就是我们上面比喻中的橡皮泥。想象一下，平时在家做蛋糕时，脱模经常会脱失败导致蛋糕制作失败。纳米压印光刻也一样，脱模失败了，这颗芯片就制造失败了，制造良率就被拉低，所以说，里面的学问非常多。

虽然纳米压印光刻在制造多层存储器上存在很大潜力，但物理制造又给它带来更多问题。

纳米压印光刻到底会不会进入产业中，我们可以继续关注IRDS，如果2024年IRDS又把纳米压印光刻放回来，也许就代表技术逐渐成熟了。

纳米压印光刻（紫外纳米压印）与光学光刻对比

图源丨佳能官网

总结来说，EUV光刻机之所以成为现在的王者，是因为它本身可以投入大规模生产，而且成本和良率极佳。虽然我们有其它光刻路径能走，但唯一比较接近希望的也只有纳米压印光刻。科学还在不断向前发展，纳米制程也一直在向前，未来当纳米数突破1nm，又有哪种光刻技术胜出，也未可知。

从俄罗斯方面来看，虽然有些新闻看似有点"可笑"，但面对卡脖子，他们没有停止，这种精神值得褒奖。光刻机本来就是全世界的成果结晶，如果能够一直持续投入下去，并不断研究新技术，最终在历史上胜出的那个，一定会得到所有人的尊重。

*参考文章：

[1] cnews：https://www.cnews.ru/news/top/2023-10-03_rossiyane_sozdali_suverennyj

[2] X射线吸收谱基础知识（一）.2017.2.22.https://mp.weixin.qq.com/s/s1hWQqgrJW0tiVKEwN3_BA

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