中国就快生产出EUV光刻机了吗？你知道造一个光刻机有多难吗？

​2021年2月，清华大学的唐传祥教授团队与德国科学家合作在《自然》上颁发了一篇论文，报告了他们对基于被称为SSMB原剃头生极深紫外光源的理论完成了一定的尝实考证。但时隔两年后的明天，这一工作忽然被一些自媒体炒作为中国将建立起EUV光刻机工场。可是，自力制造一台光刻机，能有这么快吗？
撰文 | 汪诘
比来这一周，一则科技消息在网上风传，消息说中国科学家发现了一种新的发生极深紫外光源的道理，可以冲破光刻机的卡脖子技术困难。甚至还有很多人传闻，我国已经在雄安起头扶植光刻工场了，“有图有真相”，说得有鼻子有眼。

很多人来问我能否是真的，我先说答案：新的光源发生道理是真的，但阿谁早在 2010 年就提出了，今朝还处在道理考证阶段，离真正适用少说也还有 15 到 20 年的时候。而此次热炒的清华大学科学家的论文实在也是 2021 年头就颁发了，不晓得为什么两年半后忽然被挖出来热炒。至于雄安建什么光刻厂如此，那就是以谣传讹，化为乌有了。
明天恰好借着这个话题，来跟大师聊聊造一个光刻机为什么那末难，中国有没有能够完全自力自立研发出最早辈的光刻机。
光刻机就是用来生产芯片的关键装备，我们用的每一台电脑，每一台智妙手机中的芯片就是用光刻机生产出来的。

权衡一块芯片的工艺先辈水平，用的是 xx 纳米（nm）这样一个单元。纳米是个长度单元，1 纳米即是 10 亿分之一米。前两周华为不是出了一款最新的手机 Mate 60 pro 吗，这手机一出来，大师就惊呼，哇，这款手机用的芯片是 7nm 制程的，不得了。这里诠释一下 7nm 制程是什么意义，简单来说，芯片上的电子元件，也就是晶体管，是被刻出来的，就似乎我们在橡皮钤记上刻字。在一样的面积上，能刻出来的晶体管越多，芯片也就越先辈。在芯片范畴，就是用几多几多 nm （纳米）来暗示芯片的先辈水平，数字越小暗示芯片越先辈。10nm 的比 14nm 先辈，7nm 比 10nm 先辈，你不要纠结为什么是 5、7、10、14 这样数字，这背后有复杂的历史成因。
芯片是用激光在硅片上刻出来的，所以，要把晶体管刻得越小，就需要波长越短的激光。现在全天下最早辈的光刻机用的光源叫极深紫外光，英文简称为 EUV，波长是 13.5纳米，它是美国公司研发出来的，但这家美国公司现在被荷兰的阿斯麦公司收买了。不外这里要弄清一个概念，不是说 13.5 纳米波长的激光就只能刻 13.5 纳米的芯片，它实在能刻 7 纳米，5 纳米，甚至更小制程的芯片。

比 EUV 更差一点的光刻机用的光源是深紫外光，英文简称 DUV，波长是 193 纳米，比 EUV 大了一个数目级。华为最新手机用的阿谁 7nm 制程麒麟 9000s 芯片就是用 DUV 刻出来的，是的，193 纳米的波长，操纵一种叫做多重曝光的技术便可以刻出 7nm 的芯片。但就是这类 193 纳米的光刻机，我国现在也还是造不出，能造出 DUV 的全天下也只要日本的佳能和尼康，以及荷兰的阿斯麦公司。对，你没听错，美国也不可。

这里顺便插一句什么是多重曝光技术。我用一个最简单的例如来试着说明一下，比如说，现在你有一个画正方形格子的机械，但它能画出来的正方形的格子的边长是 100 毫米，你有没有法子操纵这个机械画出小于 100 毫米的正方形格子呢？是可以的。方式就是我先在纸上画很多连在一路的格子，构成网格。然后我把机械稍稍移动一下位置，在这张纸上再画一次，这样又会画出一个新的网格，两个网格堆叠在一路，线条就会交织构成更小的格子。你自己可以拿笔在纸上试一下。
光刻机每次刻芯片的进程就是一次曝光，用 DUV 去生产 7nm 制程芯片也是一样的，一次没法子，就多曝光几次，每次曝光以后就移动一小步再曝光。这样便可以刻出更小的晶体管。固然了，这样做也不是没有副感化的，那就是出错的能够性也更大了，大范围生产的话，会有很多失利的芯片浪费掉。用专业术语来说，就是芯片的良率比力低，次品率比力高。

我们回到正题，制造一台光刻机有多难呢？
我先定本性，光刻机是今朝为止，人类有才能制造的最紧密和复杂的机械，没有之一。一台光刻机，有三大关键部分组成。第一部分是光源、第二部分是光学系统、第三部分是蚀刻工作台。每一部分的技术应战都堪比登月。
先说光源。要发生 13.5 纳米波长的极深紫外光，今朝的做法是用高功率的激光轰击一个直径只要三万万分之一米的小锡球（就是金属锡的锡）。但这一句话不敷以描写它的难度，我需要展开来说。
首先要让一束激光正确击中正在以时速大约 200 英里活动的小锡球，等小锡球（此时已经酿成等离子体）的温度到达 50 万度时，再用一束激光轰击它，这时就能发生波长 13.5 纳米的极深紫外光。要延续稳定发生这类紫外光，需要以每秒钟大约 5 万次的频次轰击小锡球。这类激光器全天下只要一家德国公司能生产，这家叫通快的德国公司用了十年时候才研发成功，单单是这台激光器就有 45700 多个零件。但你能够没想到，通快公司的这台激光器又依靠于一家立陶宛的公司供给关键装备，没有这家立陶宛公司制造的光源装备，通快公司也不可，简直就是螳螂捕蝉黄雀在后的既视感。下一个难关是若何把这类极深紫外光收集起来，构成一束极深紫外光的激光呢？这就是下一个关键部分。

光学系统。为 EUV 研制的这套光学系统全天下也只要一家德国公司能制造，它就是台甫鼎鼎的蔡司公司。你能够听说过蔡司生产的相机镜头是天下上最好的镜头之一，可是相机镜头与 EUV 光学系统用的镜头比起来，那就似乎是螺旋桨撒农药的飞机和喷气式战役机的不同了。这套光学系统最少触及以下这些技术应战：高精度非球面加工，多层膜反射镜，高质量熔炼，离子束抛光技术，极限精度磨制。适才说的这一串技术名词你不必深究，你只需要晓得，终极的方针是要建造出一片绝对滑腻平整的镜片，要滑腻到什么水平呢？就是三体中水滴的那种滑腻水平，镜片的升沉就是大约一个原子的误差，接近理论上的物理极限。假如用蔡司自己的宣传比方，就是把这片镜片放大到全部德国那末大，升沉也没跨越 0.1 毫米。假如一个病毒落在这片镜子上，那就似乎拔地而起一座百米小山。所以，这套光学系统必须工作在真空中，不能有任何一点点的干扰。但有了光源和镜头还远远不够，这只是比如我们有了刻字的刻刀，接下去一步是要在指甲盖巨细的硅片上刻出几百亿个晶体管。
紧密仪器工作台。为了把几百亿个晶体管刻成，我们需要一个精度极高极高的控制台，我很难找到正确的比方来描述它的制造难度。这个控制台由 55000 个高精度的零件组成，而这些零件又最少依靠于日本、韩国、中国台湾、美国、德国以及荷兰自己供给的专利技术，少了任何一个都不可。
以上这些，大要就是制造一台今朝天下上最早辈的光刻机的难度。它的研发历史大如果这样的：1997 年，英特尔公司和美国能源部配合投资一家公司，起头研制 EUV 光刻机。在 6 年的时候中，这家公司研发了绝大部分的焦点专利技术。但英特尔和美国能源部都不筹算自己造光刻机，由于他们感觉造光刻机实在不挣钱，还不如把焦点技术授权给一家本国公司，让他们去造光刻机。后来，荷兰的阿斯麦公司拿到了这些焦点技术的授权，然后在三星和台积电等公司的帮助下，终究在 2010 年生产出了第一台 EUV 光刻机的原型机，又测试、优化、升级了 9 年，终极在 2019 年生产出了第一台可以正式投入贸易生产的 EUV 光刻机，总共用时 22 年。

但是，虽然 EUV 光刻机是荷兰的阿斯麦公司生产的，但它也不外就是一个组装厂，只要 15% 的零件是自立生产的，其他 85% 的零件依靠进口。又由于美国能源部具有光刻机几近一切的焦点专利，所以，阿斯麦生产光刻机，需要美国能源部的授权。这就是为什么假如美国政府说不准把光刻机卖给中国，荷兰的阿斯麦公司只能听它的缘由。可以说，一台 EUV 光刻机是七、八个国家围成一个圈，卡着阿斯麦的脖子。
中国想冲要破技术封锁，自力生产光刻机，就需要在全数三大关键部分上实现完全的自立创新。我们现在只能说，在第一个光源部分，我们看到了一点点希望。
2010 年，斯坦福大学的华人教授，同时也是清华精采拜候教授赵午与他的博士生一路提出了一种发生极深紫外光源的新道理，这类道理被称为“稳态微聚束”，英文简称 SSMB，就是操纵庞大的粒子加速器来发生极深紫外光。2017年，清华大学的唐传祥教授团队与德国的同业一路合作，完成了尝试的理论分析和物理设想，并开辟测试尝试的激光系统，停止了一定的道理考证。2021 年2 月，他们的论文在《自然》杂志上成功颁发[1]，唐教授的博士生邓秀杰是第一作者，唐教授和德国亥姆霍兹柏林材料与能源研讨中心的别的一位教授是通讯作者。这里顺便提一下学术圈的一般法则，第一作者通常为指该研讨课题中进献最大的人，而通讯作者则是课题的负责人和功效受益人。

到了 2022 年 3 月，唐传祥教授和邓秀杰博士又在我国的《物理学报》上颁发了同名论文[2]。能够他们自己也没想到，一年多后，不晓得什么缘由，大如果在 2023 年的 9 月 13 日，不晓得是哪个自媒体发了个视频，题目很阿谁啥，叫《逆天了！清华大学SSMB-EUV光源横空出世，功率到达EUV光刻机40倍》，然后，恍如一把火，各个自媒体平台都起头以各类“逆天了”三个字开首为题，来热炒清华大学的这个 SSMB 计划，看得我都傻了。
我希望大师冷静的是，我们现在离实现生产极深紫外光刻机还有十万八千里，万万别上头。首先，清华的官网上说，2021 年，唐传祥教授就已经向国家发改委申报把 SSMB 尝试装配列为十四五国家严重科技根本设备。可是，我没有查到任何立项的消息。斟酌到这是民用科研项目，而不是军事项目，假如立项都是需要公示的，是以，最少到今朝为止，这个项目还没有立项。
我们就算悲观一点，明年可以立项，但这类级此外科研装配，没有个 5 年是很难建成的。建成今后我们再乐概念，搞个 3 年测试成功，然后再花 5 年建成可以商用的光源，这就 13 年曩昔了。可是，光刻机的别的两个关键部分能不能在这 13 年中搞成呢？现在连个影子也还没有。
而且，我们不晓得再过 13 年，美国人、荷兰人能否是又搞出了更先辈的下一代光刻机，我们还得继续追。
最初我想说一句小我不中听的概念：
在 20 年之内，这个天下上不成能有任何一个国家可以完全自力自立地造出一台代表国际最早辈水平的光刻机，美国也不破例。
固然，这只代表我小我的一点浅见，我很希望被打脸。
我为什么要把这个概念说出来，是由于我真的不希望曩昔“大跃进”的悲剧重演。中国人是很聪明，但并不意味着我们中国人就是特别材料做的人，全天下一切的种族都是人科、人属、智人种，中国人和本国人的基因几近没有差别，我们不比本国人笨，但也并不比本国人聪明很多。
实事求是才是成长科学技术的邪道，光刻机这样超级紧密复杂的机械，追求最大范围的国际合作才是最好处理计划。
参考文献
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03203-0
[2] https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20220486
本文经授权转载自微信公众号“科学有故事”，原题目为《网传清华大学弯道超车光刻机新计划，冷静》，“返朴”颁发时略有点窜。


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