芯片一直是困扰我国半导体产业自主发展的一大痛点,长期以来,我国芯片高度依赖国外进口,致使国产芯片的发展进程十分缓慢。然而,2020年的芯片禁令彻底打破了这种僵局,受限于芯片禁令影响,拥有自主可控的国产芯片的重要性愈发引人深思。
彼时,国家开始大力扶持国产半导体产业,很多企业、科研机构等也借此机会开始推陈出新,一些新的芯片概念被不断地爆料出来,比如,光量子芯片、碳基芯片等概念也是层出不穷。鉴于与国外传统光刻工艺芯片制造水平的巨大差距,很多媒体称这些概念为国产芯片的“另辟蹊径”或“弯道超车”之路。

冰刻机也属于这类概念中的一种,从字面解释来看,它与传统光刻机概念类似,也是制造芯片的一种半导体设备,区别在于光刻与冰刻。
冰刻机的核心在于“冰刻”技术,这一技术的关键原理是把传统光刻过程中所使用的光刻胶替换成冰,俗称“冰胶”,利用电子束将打到的冰瞬间气化,从而直接雕刻出冰膜板。再与光刻步骤类似,完后后续冰刻芯片的加工制造。

需要说明的是,这里的冰刻胶并不是普通的冰,而是兼具光刻胶与冰特性的新型化学合成冰。研究发现,水蒸气在零下近140℃的真空环境中,会直接凝结成无定形冰,利用其无定形特性,可以包裹任意形状的表面,实现代替传统光刻胶的涂胶过程。
目前,开展这种技术研究的国家非常少,全球只有两个实验室在做,一个在丹麦,一个在中国。
我国浙江西湖大学的著名学者仇旻和其团队,早在八年前就已经开始深入研究该项技术,而且已经完成了冰刻机的雏形,在Nano Letter、Nano scale等期刊上,均发布了一系列重要研究成果,可谓抢先填补了该技术领域的空白。

据悉,冰刻机2.0也正在研发之中,如此看来,冰刻技术应该是已经得到验证,是切实可行,而非异想天开。那么,冰刻技术是否正如媒体所料,是我国绕开光刻机,实现弯道超车的绝佳途径呢?
根据冰刻技术原理,理论上相比于光刻技术,冰刻确实拥有很多优势,比如良率。传统的光刻技术采用的是“光刻胶+EUV光源曝光”模式,光刻胶是其不可缺少的关键一步,芯片生产过程中,第一步就是要涂敷光刻胶。由于光刻胶是一种光敏感性胶状液体,涂敷过程必然存在不均匀、残留等问题,势必会影响光刻芯片的良率。

而冰刻技术采用的是“水蒸气+电子束雕刻”模式,即通过水蒸气在真空环境中遇冷凝结成无定形冰,充分覆盖晶圆表面形成所谓的“冰胶”来代替光刻胶,再进行电子束雕刻。由于是冰,可以融化之后完全消失,不会造成残留,还省去了清洗过程,因此,冰刻技术的良率将明显优于光刻技术。

但同样因为于此,造成其生产效率难以提升,无法与光刻技术媲美。由于采用的是电子束雕刻,需逐帧对晶圆表面进行雕刻,与光刻曝光相比,效率不在一个层次。
此外,即使光刻机是集万家之所长而成的工业精品,难度虽然较大,但目前已经大规模商用,且使用EUV光刻机已经可以实现5nm、3nm等甚至更高的制程工艺,而电子束目前的精度维持在10nm左右,想要以此实现对光刻机的反超,尚不符合实际。

因此,必须认清西湖大学的冰刻机技术确实具有一定的可行性,但还不具备商用潜质,只能说还处于试验阶段,虽然有一定的良率优势,但想要以此来突破光刻机的限制,无异于痴心妄想。
总的来说,冰刻技术至少为学者们又增添了一种新的思路,不怕技术差,就怕不敢尝试,多领域尝试突破,总有实现超越的时候。