冰刻技术，在理论和技术上能实现现在的EUV光刻机的精度吗？

冰刻技术完全可以实现与EUV光刻机相当的精度。只不过要实现这个精度，必须让电子束直写光刻机的的分辨率达到纳米级别才行。

其实“冰胶+电子束”的效率是远远比不上“光刻胶+光刻机”的。因为要让水蒸气凝结在晶片上，还必须在零下140 进行，此外使用的还是电子束刻机，要一点一点的进行雕刻那速度比较慢。从制造效率上来看，这种冰刻技术是不如光刻机的。而冰刻的分辨率主要取决于电子束刻机，虽说电子束直写光刻机的精度已经达到了10纳米左右甚至以下的精度，但是国内电子束直写光刻机的精度在1微米，还没有达到纳米级别。事实上，冰刻技术只是将化学的光刻胶换成了水蒸气而已。

早在2018年，就发布了冰刻系统，这次的冰刻则是其升级版，主要就是将原料生产为成品。由于传统的光刻胶属于化学试剂，在光刻完成后还要进行清洗，清洗不干净的话就会导致良品率下降。而使用水蒸气凝固代替传统的光刻胶之后，就不存在清洗不干净这类问题了。

在电子束的作用下，凝固的水蒸气可以直接液化消失而不会残留在晶片上，这样一来就不会导致晶片被污染了，这是冰胶相对于传统光刻胶的优势所在。但是使用冰胶前，要将晶片放在零下140 的真空环境中，给其降温，再通入水蒸气。相对于传统的光刻胶来说，就多了这样一个步骤。估计当水蒸气凝固在晶片上之后，从拿出来，到光刻完成之前都要在0 以下的环境中进行 *** 作，毕竟温度超过0 ，凝固的水蒸气就有可能液化成水，这也是相对于传统光刻胶的一个缺点。

由于冰刻系统的分辨率与电子束直写光刻机的分辨率有关，只要电子束直写光刻机的分辨率可以达到EUV光刻机的分辨率，那么使用冰刻系统生产的芯片的制程工艺就可以达到EUV光刻机的生产芯片的制程工艺。

只不过，现在世界上分辨率最高的电子束直写光刻机掌握在日本的JEOL和Elionix这两家公司手中。其中JEOL公司制造的的JBX-9500S电子束直写光刻机的套刻精度为11纳米，最小分辨率在0.1纳米左右。而Elionix公司制造ELF10000电子束直写光刻机的分辨率为100纳米。而国产BGJ-4电子束直写光刻机的分辨率为1微米，由此可见，即便使用了冰胶，在立足于国内电子束直写光刻机的前提下，是达不到国产SSA600/20的分辨率，更别说赶上EUV光刻机了。

我国碳基芯片的发展还是很快的，基本上与美国的技术不相上下。目前的碳基芯片已经突破到了3纳米，而我国正在向0.5纳米进发。碳基芯片的性能要比传统的硅基芯片强不少，基本上90纳米的碳基芯片性能相当于28纳米的硅基芯片，45纳米的碳基芯片相当于7纳米的硅基芯片。只不过，碳基芯片依然要用到光刻机，现阶段国内制程工艺最小的光刻机也停留在90纳米，而使用冰胶的电子束直写光刻机还在微米层。所以说，这次冰刻技术对国内碳基芯片的帮助不是很大。

中国芯片又发生大事了，12月4日，光刻两个字又登上了热搜。因为中美摩擦的原因，我国的芯片领域频频被掐脖子登上热搜的消息，只要和光刻或者芯片有关，基本都是坏消息。 不过这一次可不一样， 2020年12月4日，西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室宣布，实验室研发的冰刻技术取得了重大突破，一体化自动化的微米冰刻系统已经具备了雏形。

不得不说，相信很多人和我一样，第一次听到冰刻这个名字时，脑袋里浮现的就是北方冬天公园的冰雕，不过了解下来才知道冰刻可是大有来头。

虽说冰刻和冰雕一样都是用冰雕刻，不过一个是用锤子钉子在冰块上雕，一个是用极紫外光在冰晶上雕；一个是北方小孩的玩具，一个是我国芯片的未来，一字之差天壤之别。

冰刻是什么，它到底代表了什么？

说起冰刻大家不熟悉，但是说起光刻机大家一定都知道，中美摩擦之后，我们在芯片领域的短板暴露无遗。在这种处于被动地位背景下，芯片的国产化也就成为了大家共同的期望。生产芯片的第一步就是光刻机，光刻机制造难度极高，需要多个国家、多个领域的顶级公司通力合作，几乎代表着工业制造的最高 科技 。

光刻机龙头企业荷兰ASML公司，就因为处于光刻机领域的霸主地位而被大家知晓。但其实ASML公司所掌握的也只是芯片制造技术链条上的一环而已。光刻机镜头被德国光学镜头蔡司垄断，激光技术领域龙头被美国Cymer垄断，由此便可以想象光刻机的制造难度到底有多大。

ASML的产能每年只有二十台，台积电和三星每年都为这二十台机器抢破头,我们的中心国际足足等了三年才买到一台光刻机。 而这仅有的一台光刻机订单也被美国从中作梗，导致订单交货无限期推迟，光刻机从此成为我国芯片领域的一大痛点。

光刻机是设备，光刻胶是材料。如果说光刻机是推动制程技术进步的引擎，那么光刻胶就是这部引擎的燃料。光刻胶又名光致抗蚀剂，是一种在紫外光照或者辐射下溶解度会发生变化的薄膜材料。在芯片制造过程中，需要将光刻胶均匀的涂抹在晶片表面，再用电子束，相当于肉眼看不见的“雕刻刀”，在真空环境中将金属字写在光刻胶上，对应位置的光刻胶性质会发生变化，在用化学试剂清洗掉剩下的光刻胶，一片“镂空”的光刻胶模具就做好了。

接下来便是将金属“填”在镂空位置，使之“长”在晶片表面，最后再用化学试剂将所有光刻胶清洗干净，去除废料后只留下金属字。留下的这个金属字就是芯片的构造电路，光刻胶式光刻技术中涉及到最关键的功能性化学材料。芯片制造工艺中有40%至50%的时间是在光刻过程中，这个过程不仅需要光刻机，还需要光刻胶， 光刻胶的质量决定了光刻精度， 简单的说，就算有最牛的极紫外光EUV光刻机没有好的光刻胶，的光刻精度还是不行可以说它直接影响了集成电路的性能、成品率以及可靠性，这是光刻胶的重要性。

光刻机的国产化前路漫漫，这事已成定局的事实，我们必须要吸取教训，在其他技术上做突破，避免再次出现这样的困局。

作为光刻机的重要材料，光刻胶也就由此进入了科研试验。光刻胶的形式虽然没有光刻机那么严峻，但是也处在日韩美三国的重重包围之下，全球市场份额都被几家巨头瓜分完毕，并且依靠着自己的技术壁垒赚取高价。

中国的光刻胶起步较晚，属于后发梯队，其中比较低端的PCB光刻胶能够实现15%的国产率，终端的LCD光刻胶和高端的半导体光刻胶，中国的国产率都很低。光刻胶的制备非常难，其性能指标就是光刻过程中的抗组，外国产品的抗阻能达到10^15MΩ，国内目前只能达到10^10MΩ， 差了接近十万倍。

面对这种情况，国内企业没有落下，一直在奋力追赶。日美韩走在我们前面，这是不争的事实，但是通往成功的道路往往不止一条，传统光刻胶技术我们固然落后， 但冰刻技术并不是对传统光刻胶的追赶，而是一种弯道超车。

冰刻改变了形式，从另一个方向出发去研究，这次冰刻的突破，很有可能帮助我国的光刻胶扭转局势，甚至还能完全改写光刻胶的地位。

可以说，冰刻这项技术十分冷门，全球只有西湖大学和丹麦一个研究团队在研究。我国研究人员在2018年就已经开发出这套冰刻系统， 而这一次是全新的冰刻2.0，将比传统的光刻胶技术，冰刻技术的优点在于清洁和高效。

传统光刻机在芯片制造的过程中需要使用光刻胶，它属于化学试剂，在光刻完成以后必须清洗。清洗过程也是手续繁多，稍有不慎就会毁了整个芯片，而冰刻不存在清洗的问题。因为在电子束的作用下，凝固的水蒸气可以直接汽化消失。

第二个优点在于冰刻的高效，可以简化芯片加工过程，传统光刻机生产芯片大致需要涂胶、曝光、化学显影，材料沉积、去胶剥离五个流程。

而冰刻技术就要简单多了，直接通过水雾覆盖包裹芯片，超低温凝结后直接进行雕刻。雕刻完毕后，使用电子束照射，被打到的冰将直接汽化，直接雕刻出冰模板，并且冰也无需清洗。

除此之外，冰刻技术还可以在光刻前沿超构表面与已经广泛运用的光纤有机结合。同时，也非常适用于非平面衬底或者易损柔性材料。

如果这项技术能够研发到实际应用阶段，一定会在芯片制造、生物、微电子这些领域发挥重要作用。

复旦大学物理系主任，超构材料与超构表面专家周磊教授也认为其研究价值相当之高，对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。

当然，这些都是好的方面，如果我们辩证来看的话，冰刻技术也有一定缺点。

因为要让水蒸气凝在晶片上，必须在零下140度进行 *** 作，同时雕刻速度又相对较慢， 从制造的效率上来看，现阶段这种冰刻技术远远不如传统的光刻。

但是这次的冰刻2.0不仅技术上有了突破，还在整体的自动化上有了雏形。已经能够在实验中利用各种常见的材料完成比较复杂的三维结构，并且计划在三到五年内实现全流程一体化自动化的一站式微纳加工，也就是一块原材料进去一块成品出来。如果这个目标完成，那么冰刻的效率就能大大提升。

当下谁也不知道冰刻这个研究方向对不对，但在这个不确定到确定的过程中，如果我们不参与进去，那么我们就没有话语权。光刻机和芯片就是鲜明的例子，我们没有参与进去，所以现在没有话语权，这样的亏我们吃的太多了。

这次研发冰刻技术的西湖大学可是大有来头，它不是传统的公办本科学校，而是一所研究性的民办学校。他的投资者包括了国内各行各业的顶尖领导者们，马化腾、王健林、王东辉、吴亚军这些知名企业家也在其中。其余的参与者都是国内各大知名院校以及各科研领域杰出的顶尖人才。而创办者施一公是原清华大学的副校长，在当清华校长之前还是美国普林斯顿大学分子生物学系 历史 上最年轻的终身教授，在整个国际学界都是公认的学术明星。

施一公回国之后出任了清华大学的副校长，任职中的能力也是受到了一致认可。在看到了国内前沿学术研究的短板后， 他向国家提出了创办申请，要创办一所研究型学院，对标站在世界科研之首的美国加州理工学院， 这个计划当然得到了国家的认可和支持。

2018年西湖大学正式创办建成，而在2015年时，这个学校的雏形就已经初显，那时候就引来无数大佬的目光，也正是因此，西湖大学得到了多个顶级企业的投资。除了丰厚的资金之外，西湖大学的师资力量也是不容小觑，截至到2020年7月份，短短两年时间，西湖大学已经拥有了125位科学家作为大学讲师，其中13位教师是其所在领域的顶尖领军人物。

西湖大学2015年具备雏形，2018年正式创办建成，到现在不过短短几年时间就已经完成了冰刻技术的突破，还有更多技术在我们看不到的地方前进，这或许就是他最好的证明。

相信在未来，西湖大学还会在科研之路上继续前进，与其他大学一起扛起中国芯片技术乃至其他技术的担子。

很多方法都可以制作芯片，甚至精度比光刻机高，但是最大的问题是，没有办法解决效率问题，光刻目前效率最高。据路边社推算，其实全球是euv光刻机的需求才六百台，也就是说这个东西，效率是相当特别很高的。

不后悔，高端芯片严重依赖进口，一旦被卡住脖子之后，很多行业都会受到影响，比如华wei就是一个典型的例子。而为了解决芯片问题，最近几年我国也加大对芯片的扶持和研究力度，而且从最近几年各大企业以及各大研究所的实际情况来看，确实取得一些不错的成果。

比如上海微电子目前已经成功研发出28纳米的光刻机，通过多次曝光后，可以用于生产14次纳米的芯片，据说这个制程的光刻机将在2022年量产。除了专业企业的研究之外，我国高校、科研院所也研究出了不少光刻机技术。

比如2018年清华大学的研究团队研发出了双工作台光刻机，这使得我国成为全球第2个拥有双工作台光刻机技术的国家。2019年武汉光电国家研究中心使用远场光学雕刻最小线宽为9纳米的线段，成功研制出9纳米光刻机技术，从而实现了从超分辨率成像到超衍射极限光制造的重大突破。

2020年6月，由中国科学院院士彭练毛和张志勇教授组成的碳基纳米管芯片研发团队在新型碳基半导体领域取得了重大的研究成果，并实现了碳基纳米管晶体管芯片制造技术的全球领先地位。2020年7月，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所成功研发出了一种新型5nm高精度激光光刻加工方法。

再比如西湖大学研究团队研究出了冰刻技术，这一技术被广大网友认为有可能是取代 EVA光刻机的最佳手段。但是这不是要打击大家，而是目前我国光刻机的水平跟国际领先水平确实有很大的差距，这种差距并不是通过实验室搞几个概念出来就可以解决的。

首先、目前我国很多芯片制造技术都处于实验室阶段。

上面我们所提到的这些技术，除了上海微电子可以制造出实实在在的光刻机之外，其他都处于实验室阶段，还没有形成成熟的工艺，距离量产仍然有很长的路要走。其次、即便量产了跟成熟的EUV光刻机仍然有很大的差距即便我们所提到的这些新技术能够量产了，但跟目前的EVA光刻机仍然有很大的差距。

目前荷兰的EVA光刻机已经达到7纳米级别，而且通过芯片代工厂的工艺改进之后，可以用于生产5纳米和3纳米的芯片。而前面我们所提到的这些技术，就算真的实现量产了，最高的工艺水平也只不过是10纳米左右，这个跟当前的EUV光刻机仍然有很大的差距。

我们就拿冰刻技术来说。

冰刻就是利用在零下将近140°的真空环境中，水可以直接凝结成冰的原理，将样品放入真空设备后进行降温处理，然后注入水蒸气，使得样品上凝华出薄冰，形成一层“冰胶”，再用电子束进行照射，并进行材料沉积，去胶剥离之后完成电路图的刻画。

在这个过程当中有一个非常关键的设备，那就是电子束刻机，电子束刻机的分辨率直接决定了芯片的精度。但是目前全球最精度最高的电子束刻机也只不过是10纳米左右，这跟EUV光刻机的精度仍然有较大的差距。而且使用冰刻技术得逐帧进行雕刻，效率要比光刻机慢很多。所以从整体来说，就算冰刻机可以量产了，但它跟目前的EUV光刻机仍然没法相比，两者的差距仍然很大。

最后、芯片工艺不仅涉及某一个设备，而且是一个产业链的问题。

提到芯片卡脖子问题，很多人都简单地理解为我国没法生产高端的EVA光刻机，但实际上制约我国芯片发展的不仅仅是光刻机这么简单。在芯片生产过程当中涉及到很多环节，需要用到很多设备，而目前我国有很多芯片制造设备和材料都从欧美一些国家进口。比如氧化炉90%以上依赖进口，涂胶显影机90%以上依赖进口，离子注入设备90%以上依赖进口。

再比如材料领域，光刻胶90%以上依赖进口掩膜板90%以上依赖进口，靶材80%以上依赖进口，湿电子化产品70%以上依赖进口，电子特种气体85%以上依赖进口等等。就连广大网友引以为傲的所谓冰刻机最核心的一个零部件之一的电子束刻机，目前我国技术也落后于国际先进水平，国产电子束刻机精度只有一微米左右，这个精度其实是很差的。

所以综合各种因素之后，大家要看清现实，不能盲目乐观，我国芯片想要超越欧美一时半会是不可能的。对我国来说，真正要把芯片做起来，不仅要攻破光刻机技术，更要沉下心来培养整个芯片产业链，这样才能真正的把芯片制造能力提升上去。

最近，西湖大学教授仇旻团队发布了一种三维微纳加工技术，可在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端进行“冰刻”加工。有一种另辟蹊径的感觉。

那么其与光刻到底有哪些不同？能否取代光刻？

首先，说下什么是“冰刻”。 冰刻是通过电子束在结有一层薄冰的基础材料上进行“雕刻”的一种系统。

与当下光刻的最大不同点是，把硅基上的光刻胶换成冰。

这里插播一下广告，以电子束为基础的光刻机，也是实现光刻的一种选择。而且其精度比EUV光刻机高，也属于先进技术。 先进的原因在于电子束的波长比极紫外光短。 而不能在大规模集成电路上应用是，因为目前还存在很多缺陷。

按照电子束光刻曝光方式可分为两种： 投影式曝光和直写式曝光。

投影式曝光： 通过电子束经过掩模版后，把掩模版上的图形（电路）刻在涂抹有光刻胶的材料上。使用的是多电子束光刻技术，聚焦电子束在基础材料上进行扫描，实现电路图转移。原理类似于照相机，其中光刻胶相当于胶卷，拍摄对象就是掩模板，通过光线的照射把拍摄的对象投影到胶卷上。据说，这是下一代的光刻技术之一。

直写式曝光： 聚焦电子束直接在涂有光刻胶的基础材料上绘制电路图形。这类似于用铅笔来画画。这技术也和激光直写技术一样，可以制造光掩模版。

明白了这两种曝光方式，就能力理解仇旻教授所说的“传统电子束”和“冰胶电子束”。 换言之，“冰胶电子束”就是把光刻胶换成冰后，去实现光刻的技术。

在零下 140 度的真空环境下，通过设备注入水蒸气以后，水蒸气遇到原材料就会凝华成薄薄的冰层。

从以下两幅图看，第一幅图是目前芯片的生产工艺，需要光刻胶以及化学剂；第二幅图是“冰刻”的制造工艺，不需要光刻胶以及化学剂。使用光刻胶就需要化学剂清洗，如果清洗不好，那么将影响芯片的良品率。

而使用“冰刻”就不同，雕刻后，冰经过升华直接气化。无需化学剂，绿色环保。

显而易见，简化了芯片制造的工艺以及用冰取代了光刻胶。

目前，该团队虽然实现了简单的三维图案雕刻，但能否取代EUV光刻机，完全是一个未知数。毕竟大规模的集成电路讲究的是工业化。再说，芯片的复杂度需要多个环节、多个工艺去配合。

即使冰刻可以刻出更细的线路图，但晶体管之间的连线导通，需要的金属沉积、离子注入等环节。目前，冰层并不具备这样的条件。

谈到对“冰刻”的研究，仇旻团队这样说 ：技术冷门好，有趣，实际应用还在 探索 中。并表示“作为一种绿色且‘温和’的加工手段，冰刻尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料，甚至生物材料。未来希望这项技术能够运用到生物、微电子以及更多领域中”。

可见，“冰刻”可能存在两种情况： 是光刻的一种补充；代替现有的光刻机。这一切都需要时间去验证。

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