网传清华大学弯道超车光刻机新方案，你知道造一个光刻机有多难吗

网上有消息称，清华大学又有新计划，弯道超车光刻机。你知道造一台光刻机有多难吗？

上周看到了一些非常热门的科技新闻。据称，清华大学研发出产生极深紫外光源的新原理，可突破光刻机的技术难题。甚至很多人说，我国已经在雄安启动光刻厂建设，有照片有真相，话有鼻子有眼睛。

很多人问我这是真的吗？我先告诉你答案：产生光源的新原理是正确的，但它在2010年就已经被提出了。

它仍处于原理验证阶段，还需要十五到二十年才能真正实用。

这次被炒作的清华大学文章，其实是在2021年初发表的。不知道为什么两年半后突然被挖出来炒作。至于雄安要建光刻厂，只是谣言和谎言。

今天我只是想借这个话题跟大家聊聊。

光刻机为何如此难造？中国有可能自主研发最先进的光刻机吗？

光刻机是用于生产芯片的重要设备。我们使用的每台计算机和每部智能手机中的芯片都是使用光刻机生产的。

为了衡量芯片的技术进步，使用单位xx纳米（nm）。

纳米是长度单位，1纳米等于十亿分之一米。

华为不是两周前发布了最新手机Mate 60 pro吗？这款手机一出来，大家都大呼：哇，这款手机采用的芯片是7nm工艺制作的，太不可思议了。我来解释一下7nm工艺意味着什么。简单来说，就是将芯片上的电子元件，即晶体管，剪下来，就像我们在橡皮图章上写字一样。

同样，可以切割的晶体管越多，芯片就越先进。

在芯片领域，用nm（纳米）来表示芯片的先进水平。数字越小，芯片越先进。 10nm比14nm更先进，7nm比10nm更先进。不要担心为什么会有 5、7、10 和 14 这样的数字。其背后有着复杂的历史原因。

芯片是使用激光在硅晶圆上切割的，因此需要切割的晶体管越小，所需的激光波长就越短。

世界上最先进的光刻机所使用的光源称为极深紫外光，英文为EUV，波长为13.5纳米。

它是由一家美国公司开发的，不过这家美国公司现在已经被荷兰ASML收购了。不过，这里有一个概念需要澄清。这并不意味着波长13.5纳米的激光只能雕刻13.5纳米的芯片。甚至可以雕刻7纳米、5纳米甚至更小的工艺芯片。

光刻机使用的比EUV差的光源是深紫外光，英文缩写是

深紫外

，波长为193纳米，比EUV大一个数量级。华为最新手机采用的7nm工艺的麒麟9000s芯片采用DUV切割。是的，在 193 纳米的波长下，可以使用一种称为多重曝光的技术来切割 7 纳米芯片。但即便是这些型号的193纳米光刻机在我国仍然没有。世界上能够生产DUV的公司只有日本佳能和尼康以及荷兰ASML。是的，你没听错，美国也没有。

顺便说一句，这就是多重 曝光技术。我用最简单的比喻来解释一下。举个例子，你现在有一台画方格的机器，但它能画的方格的边长是100毫米。有什么办法可以用这台机器画正方形网格吗？小于100毫米的方形格栅怎么样？是允许的。方法是我先在纸上画很多个相连的网格，形成一个网格。然后我稍微移动了一下机器，再次在纸上画画。这将绘制一个新的网格。两个网格重叠，线条相交形成一个更小的网格。您可以自己用笔在纸上尝试一下。

每次光刻机雕刻一个芯片时，该过程都包含一次曝光。使用DUV生产7nm工艺芯片也是如此。如果一下子做不到什么，可以分几次曝光。每次曝光后，在重新曝光之前移动一小步。这使得切割更小的晶体管成为可能。这当然不是没有副作用，即出错的机会更大。在批量生产中，很多不合格的芯片会丢失。从专业的角度来说，芯片的效率比较低，不良率比较高。

让我们回到主题，

建造一台光刻机有多难？

我首先确定我的性格。

光刻机是迄今为止人类能够制造的最精确、最复杂的机器之一。

光刻机由三个主要部分组成。

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。

每个部分的技术挑战堪比登月。

我们先来说说光源。

为了产生波长为13.5纳米的超深紫外光，目前的方法是使用高功率激光产生直径仅为百万分之30的小锡球（即金属锡）进行轰击米。但这句话还不足以形容它的难度。我需要扩展。

首先，需要激光束准确地击中每小时约 200 英里移动的小锡球。当小锡球的温度达到50万度时，就变成锡等离子体。此时正在用激光束对其进行轰击。它可以产生波长为13.5纳米的超深紫外光。

为了持续稳定地产生这种紫外线，必须以每秒约 50,000 次的频率轰击小焊球。

世界上只有一家德国公司可以生产此类激光器。德国通快公司花了十年时间才研制成功。仅这台激光器就有 45,700 多个零件。但您可能没有想到，通快的激光器重要设备的供应依赖于一家立陶宛公司。如果没有这家立陶宛公司的光源设备，通快将无能为力。就如螳螂捕蝉，黄雀在后。似曾相识。接下来的难点是：如何收集这种超深紫外光，形成超深紫外激光器？这是下一个重要部分。

光学系统。

为EUV开发的光学系统全球只能由一家德国公司制造，那就是大名鼎鼎的蔡司。您可能听说过蔡司相机镜头是世界上最好的镜头之一，但将相机镜头与 EUV 光学系统中使用的镜头进行比较，就像带有喷洒农药的螺旋桨的飞机与战斗机之间的区别一样。无论如何，这个光学系统都面临着以下技术挑战：高精度非球面加工、多层反射镜、高质量熔炼、离子束抛光技术和极精密研磨。您不需要深入了解刚才提到的技术术语，您只需要知道：

最终目标是创造一个绝对光滑平坦的镜片

，应该有多平滑？就是三体系统中水滴的光滑度。

透镜的波动约为一个原子的误差，接近理论物理极限。

用蔡司自己的宣传比喻来说，即使这支镜头放大到整个德国的大小，波动也不会超过0.1毫米。如果病毒落在这面镜子上，它就会像一座可以长到100米高的小山。因此，该光学系统必须在真空中运行且不受任何干扰。但仅有光源和镜头还不够。这就像拥有一把科学的雕刻刀。下一步是在指甲盖大小的硅芯片上雕刻数百亿个晶体管。

精密仪器工作台。

为了制造数百亿个晶体管，我们需要一个精度极高的控制台。我很难找到一个准确的比喻来形容它的制造难度。该控制台由55,000个高精度零件组成，这些零件至少基于日本、韩国、台湾、美国、德国和荷兰的专利技术。没有其中之一，一切都行不通。

以上大概就是制造世界上最先进的光刻机的难点了。研发历史大概是这样的。 1997年，英特尔公司与美国能源部共同投资一家公司，开始研发EUV光刻机。在六年的时间里，公司开发出了大部分专有核心技术。不过，英特尔和美国能源部都没有计划自己建造光刻机，因为他们认为建造光刻机并不能真正赚钱。最好将核心技术授权给外国公司，让他们制造光刻机。后来，荷兰公司ASML获得了这些核心技术的授权，并在三星、台积电等公司的帮助下，终于在2010年生产出第一台EUV光刻机原型机，然后经过9年的测试、优化和改进。经过多次升级，第一台可以正式投入商业化生产的EUV光刻机终于在2019年问世，总共花了22年的时间。

EUV光刻机虽然是荷兰ASML生产的，但也只不过是一个组装厂。只有15%的零部件是自主生产的，其余85%的零部件都是进口的。而且由于美国能源部几乎掌握了光刻机的所有核心专利，因此ASML生产光刻机需要获得美国能源部的批准。这就是为什么当美国政府说不应该向中国出售光刻机时，荷兰ASML公司只能听从。可以说，

一台EUV光刻机由七八个国家围成一圈，卡在ASML的脖子上。

我国要想突破技术封锁，自主生产光刻机，就必须在三个关键领域实现完全自主创新。我们现在只能说，在关于光源的第一部分中，我们看到了一点希望。

2010年，斯坦福大学华人教授、清华大学特聘教授赵武与他的博士生合作，提出了产生极深紫外光源的新原理。这个原理被称为

“稳态微聚束”（英文为 SSMB）使用大型粒子加速器来产生极深的紫外光。

2017年，清华大学唐传祥教授团队与德国同事合作，完成了实验的理论分析和物理设计，开发了用于测试实验的激光系统，并进行了一定的原理验证。 2021年2月，他们的文章成功发表在《自然》期刊上[1]。唐教授的博士生邓秀杰为第一作者。唐教授和德国柏林亥姆霍兹材料与能源研究中心的另一位教授为通讯作者。顺便说一句，这是学术界的一般规则。第一作者通常是指对研究课题做出最大贡献的人，而通讯作者是对该课题负责的人和成果的受益者。

2022年3月，唐传祥教授和邓秀杰博士发表了关于我国《物理学报》的同名文章[2]。或许他们自己也没有想到，一年多后，不知什么原因，大概是在 2023 年。 9月13日，不知道哪个自媒体发布了一个标题为《逆天了！清华大学SSMB-EUV光源横空出世，功率达到EUV光刻机40倍》的视频。随后，如火如荼地，各个自媒体平台开始以不同的方式使用“不可思议”这个词。正如标题开头，清华大学的SSMB计划如此受欢迎，让我惊呆了。

希望能让大家冷静的是，我们距离实现超深紫外光刻机的量产还很远。

不要前进。首先，清华官网提到，2021年，唐传祥教授向国家发改委提交申请，将SSMB实验装置列为“十四五”期间国家重点科技基础设施。不过，我还没有找到有关该项目的任何消息。请注意，此类民用科研项目并非军事项目，无需保密。所有项目批准必须予以公布。也就是说，这个项目至今还没有获得批准。

尽管我们有点 乐观，但该项目将于明年启动。这种水平的科研设施，五年之内很难建成。建成后，我们会更加乐观，三年内测试成功，然后再用五年时间打造商用光源。那是13年后的事了。但这十三年里，光刻机的另外两大部件能否完成呢？连影子都没有。

而且，我们不知道美国人和荷兰人是否会在十三年内开发出更先进的下一代光刻机。我们必须继续追求它。

最后，我想说一句我个人不太喜欢的话：

二十年内，世界上任何一个国家都不可能完全独立打造出代表世界最先进水平的光刻机，美国也不例外。

显然这仅代表我个人的观点，真心希望被打一巴掌。

我之所以要提出这个观点，是因为我实在不想让大跃进的悲剧重演。中国人很聪明，但这并不意味着我们中国人是由特殊的人组成的。世界上所有种族都是。在人科、人属和智人种中，中国人和外国人几乎没有遗传差异。我们不比外国人笨，但也不比外国人聪明多少。

实事求是是科学技术发展的正道。对于光刻机等超精密、复杂的机器，寻求最大可能的国际合作是最好的解决方案。

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