2021年2月，清華大學(xué)的唐傳祥教授團隊與德國科學(xué)家合作在《自然》上發(fā)表了一篇論文，報告了他們對基于被稱為SSMB原理產(chǎn)生極深紫外光源的理論完成了一定的實驗驗證。但時隔兩年后的今天，這一工作突然被一些自媒體炒作為中國將建立起EUV光刻機工廠。但是，獨立制造一臺光刻機，能有這么快嗎？

撰文 | 汪詰

最近這一周，一則科技新聞在網(wǎng)上風(fēng)傳，消息說中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的產(chǎn)生極深紫外光源的原理，可以突破光刻機的卡脖子技術(shù)難題。甚至還有很多人傳說，我國已經(jīng)在雄安開始建設(shè)光刻工廠了，“有圖有真相”，說得有鼻子有眼。

很多人來問我是不是真的，我先說答案：新的光源產(chǎn)生原理是真的，但那個早在 2010 年就提出了，目前還處在原理驗證階段，離真正實用少說也還有 15 到 20 年的時間。而這次熱炒的清華大學(xué)科學(xué)家的論文其實也是 2021 年初就發(fā)表了，不知道為什么兩年半后突然被挖出來熱炒。至于雄安建什么光刻廠云云，那就是以訛傳訛，子虛烏有了。

今天剛好借著這個話題，來跟大家聊聊造一個光刻機為什么那么難，中國有沒有可能完全獨立自主研發(fā)出最先進的光刻機。

光刻機就是用來生產(chǎn)芯片的關(guān)鍵設(shè)備，我們用的每一臺電腦，每一臺智能手機中的芯片就是用光刻機生產(chǎn)出來的。

衡量一塊芯片的工藝先進程度，用的是 xx 納米（nm）這樣一個單位。納米是個長度單位，1 納米等于 10 億分之一米。前兩周華為不是出了一款最新的手機 Mate 60 pro 嗎，這手機一出來，大家就驚呼，哇，這款手機用的芯片是 7nm 制程的，不得了。這里解釋一下 7nm 制程是什么意思，簡單來說，芯片上的電子元件，也就是晶體管，是被刻出來的，就好像我們在橡皮圖章上刻字。在同樣的面積上，能刻出來的晶體管越多，芯片也就越先進。在芯片領(lǐng)域，就是用多少多少 nm （納米）來表示芯片的先進程度，數(shù)字越小表示芯片越先進。10nm 的比 14nm 先進，7nm 比 10nm 先進，你不要糾結(jié)為什么是 5、7、10、14 這樣數(shù)字，這背后有復(fù)雜的歷史成因。

芯片是用激光在硅片上刻出來的，所以，要把晶體管刻得越小，就需要波長越短的激光?，F(xiàn)在全世界最先進的光刻機用的光源叫極深紫外光，英文簡稱為 EUV，波長是 13.5納米，它是美國公司研發(fā)出來的，但這家美國公司現(xiàn)在被荷蘭的阿斯麥公司收購了。不過這里要弄清一個概念，不是說 13.5 納米波長的激光就只能刻 13.5 納米的芯片，它其實能刻 7 納米，5 納米，甚至更小制程的芯片。

比 EUV 更差一點的光刻機用的光源是深紫外光，英文簡稱 DUV，波長是 193 納米，比 EUV 大了一個數(shù)量級。華為最新手機用的那個 7nm 制程麒麟 9000s 芯片就是用 DUV 刻出來的，是的，193 納米的波長，利用一種叫做多重曝光的技術(shù)就可以刻出 7nm 的芯片。但就是這種 193 納米的光刻機，我國現(xiàn)在也還是造不出，能造出 DUV 的全世界也只有日本的佳能和尼康，以及荷蘭的阿斯麥公司。對，你沒聽錯，美國也不行。

這里順便插一句什么是多重曝光技術(shù)。我用一個最簡單的比方來試著說明一下，比如說，現(xiàn)在你有一個畫正方形格子的機器，但它能畫出來的正方形的格子的邊長是 100 毫米，你有沒有辦法利用這個機器畫出小于 100 毫米的正方形格子呢？是可以的。方法就是我先在紙上畫很多連在一起的格子，形成網(wǎng)格。然后我把機器稍稍挪動一下位置，在這張紙上再畫一次，這樣又會畫出一個新的網(wǎng)格，兩個網(wǎng)格重疊在一起，線條就會交錯形成更小的格子。你自己可以拿筆在紙上試一下。

光刻機每次刻芯片的過程就是一次曝光，用 DUV 去生產(chǎn) 7nm 制程芯片也是一樣的，一次沒辦法，就多曝光幾次，每次曝光之后就移動一小步再曝光。這樣就可以刻出更小的晶體管。當(dāng)然了，這樣做也不是沒有副作用的，那就是出錯的可能性也更大了，大規(guī)模生產(chǎn)的話，會有很多失敗的芯片浪費掉。用專業(yè)術(shù)語來說，就是芯片的良率比較低，次品率比較高。

我們回到正題，制造一臺光刻機有多難呢？

我先定個性，光刻機是目前為止，人類有能力制造的最精密和復(fù)雜的機器，沒有之一。一臺光刻機，有三大關(guān)鍵部分組成。第一部分是光源、第二部分是光學(xué)系統(tǒng)、第三部分是蝕刻工作臺。每一部分的技術(shù)挑戰(zhàn)都堪比登月。

先說光源。要產(chǎn)生 13.5 納米波長的極深紫外光，目前的做法是用高功率的激光轟擊一個直徑只有三千萬分之一米的小錫球（就是金屬錫的錫）。但這一句話不足以描述它的難度，我需要展開來說。

首先要讓一束激光準確擊中正在以時速大約 200 英里運動的小錫球，等小錫球（此時已經(jīng)變成等離子體）的溫度達到 50 萬度時，再用一束激光轟擊它，這時就能產(chǎn)生波長 13.5 納米的極深紫外光。要持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生這種紫外光，需要以每秒鐘大約 5 萬次的頻率轟擊小錫球。這種激光器全世界只有一家德國公司能生產(chǎn)，這家叫通快的德國公司用了十年時間才研發(fā)成功，單單是這臺激光器就有 45700 多個零件。但你可能沒想到，通快公司的這臺激光器又依賴于一家立陶宛的公司提供關(guān)鍵設(shè)備，沒有這家立陶宛公司制造的光源設(shè)備，通快公司也不行，簡直就是螳螂捕蟬黃雀在后的既視感。下一個難關(guān)是如何把這種極深紫外光收集起來，形成一束極深紫外光的激光呢？這就是下一個關(guān)鍵部分。

光學(xué)系統(tǒng)。為 EUV 研制的這套光學(xué)系統(tǒng)全世界也只有一家德國公司能制造，它就是大名鼎鼎的蔡司公司。你可能聽說過蔡司生產(chǎn)的相機鏡頭是世界上最好的鏡頭之一，可是相機鏡頭與 EUV 光學(xué)系統(tǒng)用的鏡頭比起來，那就好像是螺旋槳撒農(nóng)藥的飛機和噴氣式戰(zhàn)斗機的差別了。這套光學(xué)系統(tǒng)至少涉及以下這些技術(shù)挑戰(zhàn)：高精度非球面加工，多層膜反射鏡，高質(zhì)量熔煉，離子束拋光技術(shù)，極限精度磨制。剛才說的這一串技術(shù)名詞你不必深究，你只需要知道，最終的目標是要制作出一片絕對光滑平整的鏡片，要光滑到什么程度呢？就是三體中水滴的那種光滑程度，鏡片的起伏就是大約一個原子的誤差，接近理論上的物理極限。如果用蔡司自己的宣傳比喻，就是把這片鏡片放大到整個德國那么大，起伏也沒超過 0.1 毫米。如果一個病毒落在這片鏡子上，那就好像拔地而起一座百米小山。所以，這套光學(xué)系統(tǒng)必須工作在真空中，不能有任何一點點的干擾。但有了光源和鏡頭還遠遠不夠，這只是好比我們有了刻字的刻刀，接下去一步是要在指甲蓋大小的硅片上刻出幾百億個晶體管。

精密儀器工作臺。為了把幾百億個晶體管刻成，我們需要一個精度極高極高的控制臺，我很難找到準確的比喻來形容它的制造難度。這個控制臺由 55000 個高精度的零件構(gòu)成，而這些零件又至少依賴于日本、韓國、中國臺灣、美國、德國以及荷蘭自己提供的專利技術(shù)，少了任何一個都不行。

以上這些，大概就是制造一臺目前世界上最先進的光刻機的難度。它的研發(fā)歷史大概是這樣的：1997 年，英特爾公司和美國能源部共同投資一家公司，開始研制 EUV 光刻機。在 6 年的時間中，這家公司研發(fā)了絕大部分的核心專利技術(shù)。但英特爾和美國能源部都不打算自己造光刻機，因為他們覺得造光刻機其實不掙錢，還不如把核心技術(shù)授權(quán)給一家外國公司，讓他們?nèi)ピ旃饪虣C。后來，荷蘭的阿斯麥公司拿到了這些核心技術(shù)的授權(quán)，然后在三星和臺積電等公司的幫助下，終于在 2010 年生產(chǎn)出了第一臺 EUV 光刻機的原型機，又測試、優(yōu)化、升級了 9 年，最終在 2019 年生產(chǎn)出了第一臺可以正式投入商業(yè)生產(chǎn)的 EUV 光刻機，總共歷時 22 年。

然而，雖然 EUV 光刻機是荷蘭的阿斯麥公司生產(chǎn)的，但它也不過就是一個組裝廠，只有 15% 的零件是自主生產(chǎn)的，其他 85% 的零件依靠進口。又因為美國能源部擁有光刻機幾乎所有的核心專利，所以，阿斯麥生產(chǎn)光刻機，需要美國能源部的授權(quán)。這就是為什么假如美國政府說不準把光刻機賣給中國，荷蘭的阿斯麥公司只能聽它的原因?？梢哉f，一臺 EUV 光刻機是七、八個國家圍成一個圈，卡著阿斯麥的脖子。

中國想要突破技術(shù)封鎖，獨立生產(chǎn)光刻機，就需要在全部三大關(guān)鍵部分上實現(xiàn)完全的自主創(chuàng)新。我們現(xiàn)在只能說，在第一個光源部分，我們看到了一點點希望。

2010 年，斯坦福大學(xué)的華人教授，同時也是清華杰出訪問教授趙午與他的博士生一起提出了一種產(chǎn)生極深紫外光源的新原理，這種原理被稱為“穩(wěn)態(tài)微聚束”，英文簡稱 SSMB，就是利用巨大的粒子加速器來產(chǎn)生極深紫外光。2017年，清華大學(xué)的唐傳祥教授團隊與德國的同行一起合作，完成了實驗的理論分析和物理設(shè)計，并開發(fā)測試實驗的激光系統(tǒng)，進行了一定的原理驗證。2021 年2 月，他們的論文在《自然》雜志上成功發(fā)表[1]，唐教授的博士生鄧秀杰是第一作者，唐教授和德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心的另外一位教授是通訊作者。這里順便提一下學(xué)術(shù)圈的一般規(guī)則，第一作者一般是指該研究課題中貢獻最大的人，而通訊作者則是課題的負責(zé)人和成果受益人。

到了 2022 年 3 月，唐傳祥教授和鄧秀杰博士又在我國的《物理學(xué)報》上發(fā)表了同名論文[2]?？赡芩麄冏约阂矝]想到，一年多后，不知道什么原因，大概是在 2023 年的 9 月 13 日，不知道是哪個自媒體發(fā)了個視頻，標題很那個啥，叫《逆天了！清華大學(xué)SSMB-EUV光源橫空出世，功率達到EUV光刻機40倍》，然后，仿佛一把火，各個自媒體平臺都開始以各種“逆天了”三個字開頭為題，來熱炒清華大學(xué)的這個 SSMB 方案，看得我都傻了。

我希望大家冷靜的是，我們現(xiàn)在離實現(xiàn)生產(chǎn)極深紫外光刻機還有十萬八千里，千萬別上頭。首先，清華的官網(wǎng)上說，2021 年，唐傳祥教授就已經(jīng)向國家發(fā)改委申報把 SSMB 實驗裝置列為十四五國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。但是，我沒有查到任何立項的新聞。考慮到這是民用科研項目，而不是軍事項目，如果立項都是需要公示的，因此，至少到目前為止，這個項目還沒有立項。

我們就算樂觀一點，明年能夠立項，但這種級別的科研裝置，沒有個 5 年是很難建成的。建成以后我們再樂觀點，搞個 3 年測試成功，然后再花 5 年建成可以商用的光源，這就 13 年過去了。但是，光刻機的另外兩個關(guān)鍵部分能不能在這 13 年中搞成呢？現(xiàn)在連個影子也還沒有。

而且，我們不知道再過 13 年，美國人、荷蘭人是不是又搞出了更先進的下一代光刻機，我們還得繼續(xù)追。

最后我想說一句個人不中聽的觀點：

在 20 年之內(nèi)，這個世界上不可能有任何一個國家可以完全獨立自主地造出一臺代表國際最先進水平的光刻機，美國也不例外。

當(dāng)然，這只代表我個人的一點淺見，我很希望被打臉。

我為什么要把這個觀點說出來，是因為我真的不希望過去“大躍進”的悲劇重演。中國人是很聰明，但并不意味著我們中國人就是特殊材料做的人，全世界所有的種族都是人科、人屬、智人種，中國人和外國人的基因幾乎沒有差異，我們不比外國人笨，但也并不比外國人聰明很多。

實事求是才是發(fā)展科學(xué)技術(shù)的正道，光刻機這樣超級精密復(fù)雜的機器，尋求最大范圍的國際合作才是最佳解決方案。

參考文獻

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03203-0

[2] https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20220486

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號“科學(xué)有故事”，原標題為《網(wǎng)傳清華大學(xué)彎道超車光刻機新方案，冷靜》，“返樸”發(fā)表時略有修改。