EUV光刻機還沒買到,單原子電晶體已經上路了

2021-01-09 孜然實驗室

當今最先進的光刻機非ASML的EUV(極紫外)光刻機莫屬,然而由於帝國的阻撓,到現在我們仍然無法拿到。

ASML的EUV(極紫外)光刻機

當我們遭遇光刻機卡脖子的時候,另一些科學家已經在通往極限的路上前進了一大步。也許有一天,光刻機不再是今天的樣子,而子電晶體會成為新一代計算機中處理器和存儲器的基礎。

單原子電晶體已經在實驗室中實現,但是要實現這樣的微型電晶體處理器,研究人員必須找到可靠的方法來將電晶體重複製造許多次,並且將他們連通在一起。

單原子電晶體

美國國家標準技術研究院(NIST)的研究人員開發出了新的方案,以生產原子級晶片。NIST是世界上第二個構造單原子電晶體的團隊,並且是第一個製造一系列原子尺度控制的單電子電晶體的團隊。

研究人員現在可以精確地調整單個電子流過電晶體中物理間隙的速度。在經典物理學中電子需要足夠的能量來跨過位勢壘,但是在量子尺度下,一量子現象(稱為量子隧穿效應)能夠讓電子在能量不足的情況下跨越位勢壘,這樣就節省了能量。只有精確控制量子隧穿,才有可能創建原子級計算機。

視頻:單原子電晶體的製造工藝

為了製造單原子或少原子的電晶體,科學家先在矽片上覆蓋了一層氫原子,氫原子很容易與矽結合。然後用掃描隧道顯微鏡的尖端除去選定位置的氫原子。剩餘的氫原子起到了物理間隙的作用,之後將磷化氫氣體(PH3)引導到矽表面,單個磷化氫分子只會附著在氫被去除的位置。然後研究人員加熱矽表面,熱量使磷化氫分解,同時磷原子置換下一層的矽原子並嵌入矽片種。

過去,處理過程通常需要一直加熱整個矽片,以消除缺陷並確保矽具有純晶體結構。但是加熱可能會使結合的磷原子脫落,而破壞裝置的結構。新的工藝在室溫下沉積幾個矽層,從而使磷原子得以固定。

這種層塗覆方法可以製造出更穩定和精確的原子級電晶體設備,因為即使只是單個原子的缺陷都可以改變電子組件的電導率和其他屬性。

這只是第一步,還需要將多個電晶體之間連通以形成電路。科學家們在矽表面特定位置施加金屬鈀,加熱後鈀與矽發生反應,形成矽化鈀的導電合金,該合金自然穿透矽層並與磷原子接觸,這樣就形成了大規模的電路。

新工藝的連接方式成功率接近100%。

研究人員利用新工藝製造了一系列單電子電晶體,除了隧穿間隙的大小不同外,其他所有方面都相同。通過測試不同間隙的電子流動變化,研究人員得以了解規律,這樣就可以精確地控制單個電子通過電晶體的流動。

經過50年的發展,單原子電晶體是否是摩爾定律的盡頭?


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    當時實際過程肯定沒這麼簡單,上圖是ASML典型的沉浸式步進掃描光刻機為例來看下光刻機是怎麼工作的——首先是雷射器發光,經過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之後進入光掩膜臺,上面放的就設計公司做好的光掩膜,之後經過物鏡投射到曝光臺,這裡放的就是8寸或者12英寸晶圓,上面塗抹了光刻膠,具有光敏感性,紫外光就會在晶圓上蝕刻出電路。
  • 什麼是EUV光刻機?為什麼大家都在追求它?
    當時實際過程肯定沒這麼簡單,上圖是ASML典型的沉浸式步進掃描光刻機為例來看下光刻機是怎麼工作的——首先是雷射器發光,經過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之後進入光掩膜臺,上面放的就設計公司做好的光掩膜,之後經過物鏡投射到曝光臺,這裡放的就是8寸或者12英寸晶圓,上面塗抹了光刻膠,具有光敏感性,紫外光就會在晶圓上蝕刻出電路。
  • EUV光刻機是中國半導體行業的唯一癥結嗎?
    在中美關係緊張的大背景下,這顆「明珠」備受關注,其光環似乎已經蓋過了其他半導體設備,更是有聲音認為只要擁有一臺EUV光刻機,中國半導體產業的問題基本就能解決。但事實並非如此。Toshihiro Oga還透露,光源系統市場窄,但需要的投資卻很大。雷鋒網(公眾號:雷鋒網)了解到,Gigaphoton每年出貨的200個單元光源,其中80個用於浸沒式Arf光刻機,20個用於普通的Arf光刻機,剩餘的100個用於Krf光刻機。
  • 為何EUV光刻機只有ASML能造?光EUV就已經難倒大家了
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  • 北大5nm的碳基晶片技術,中國領先世界,可以繞過EUV光刻機嗎?
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  • 荷蘭巨頭1nm光刻機迎新突破!中國訂購的EUV光刻機呢?
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  • 高端光刻機技術——《集成電路與光刻機》|周末讀書
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  • 北大碳基晶片能否顛覆EUV光刻機的壟斷地位?
    整個產業鏈的多個關鍵環節都被控制在歐美國家手中,研發要想全面突破還需要很多年。當然其中最重要的就是生產晶片的光刻機,目前最先進的就是荷蘭阿斯麥(ASML)的極紫外(EUV)光刻機,這臺光刻機是全世界獨一份,高端市場份額100%。華為想找代工廠用極紫外光刻機加工晶片,不行,中芯國際訂購一臺,對不起,不批准。
  • 世界上最昂貴的高端EUV光刻機,為什麼很耗電?
    對臺積電而言,阿斯麥可謂是一個十分重要的合作夥伴,由阿斯麥供貨的極紫外EUV光刻機,幫助臺積電在製程工藝上得到領先,甚至拳打三星、腳踢英特爾、完虐格羅方德。阿斯麥是全球唯一能夠生產和銷售EUV 光刻機的公司,預計在2020 年底將累計出貨90臺EUV光刻機。
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  • 淺談光刻機
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    在今年早些時候,臺積電錶示,公司已在全球範圍內部署並運行了大約50%的所有極紫外(EUV)光刻工具,這意味著該公司使用的EUV機器比業內任何其他公司都要多。而根據Digitimes最近的一份報告,為了保持領先地位,臺積電已經訂購了超過十二臺ASML的Twinscan NXE EUV光刻機,並將於明年交付。