X-ray光刻机真能弯道超车？某大V不仅配图用错，对X射线也有误解

某位ID名为“立刚科技观察”的著名大V，抛出了一个震撼言论：下一代光刻机不是什么EUV，而一定是X-ray光刻机，并且一定会是中国先做出来。所谓X-ray就是X射线，该大V说X射线的波长小于10nm，甚至是0.01nm，这样就能实现更为精细的刻写，实现更小的制程。

他还特意配了一张图，以证明我国科学家已经在这方面有很多研究，也有很多积累。笔者看到这张配图，顿时感到格格不入。该配图展示了中国科学院高能所魏微研究员的成果，魏研究员主要从事核电子学及专用集成电路芯片设计，特别是在X射线像素探测器领域开展了长期研究工作。“立刚科技观察”可能是看到里面有“芯片”两个字，就以为魏研究员是搞X射线光刻机的。

然而魏微研究员的研究方向明显是X射线探测器，属于辐射探测领域。X射线探测器有点儿像是相机中的感光元件，只不过它所接收的不是可见光，而是波长更短、能量更高的X射线。X射线探测器分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器等，无论哪一种，都和光刻机没有半点儿关系，“立刚科技观察”肯定是搞错了。

X射线成像

既然配图有问题，那么他对X射线光刻机的判断还靠不靠谱呢？凭借对X射线和光刻机这两样东西的粗浅了解，笔者很难认同“立刚科技观察”的看法，他恐怕是将DUV和EUV光刻机的特性，想当然地推广到了X射线上，殊不知X射线和DUV和EUV紫外光是不一样的。

那么X射线能用到光刻机上吗？经过这几年的熏陶，想必大家对光刻机都已经能说出个大概了。光刻机就是让激光通过掩模版，将掩模上的图案投影到涂了一层光刻胶的晶圆基板上，被光照到的光刻胶会发生变化，就像相机底片曝光一样，这就是光刻机的工作。

曝光之后再通过显影去除未发生变化的光刻胶，然后通过刻蚀机去年基板上未被光刻胶覆盖的部分，就在基板上形成了与掩模图案相符的凹槽，这样就形成了一层集成电路。实际生产中会使用多组掩模，形成多层集成电路，最终做出高端的芯片。

在光刻机中，光源显得特别重要。光源的波长越短，能够刻出来的图案就越精细，也就能生产出更小制程的芯片。与可见光相比，紫外线的波长更短，所以现代光刻机一般用的都是紫外光源，例如DUV光刻机使用的就是深紫外光，采用KrF激光器可产生248nm深紫外光，用ArF激光器可产生193nm深紫外光。

比深紫外光波长更短的是极紫外光，也就是EUV。ASML的EUV光刻机使用了锡蒸汽光源，能够产生13.5nm的极紫外光，再加上浸润式光刻系统，能够进一步缩短波长，因此能够生产出5nm甚至更小制程的高端芯片。

看到这里，您可能觉得那位大V说的是对的，至少到目前为止，光刻机确实遵循了“波长越短就越高端”的规律，那么用波长更短的X射线不是顺理成章吗？事实可没有那么简单！X射线的波长确实在0.01nm~10nm之间，能量比紫外线更高，但它却是一种电离辐射，已经属于核辐射的范畴，拥有一些很特别的性质。

X射线一般是通过加速器加速电子轰击金属靶而产生的，但这种光源的质量不高。也可以选用大型加速器产生的同步辐射作为X光源，亮度非常高，单色性非常好，但建一个大型加速器光源的投资可是相当巨大的。

不管怎么说，看起来只要肯花钱，X射线光刻机的光源问题倒是可以解决。但X射线还有一些特殊性质，成了它作为光刻机光源的障碍。最引人注目的特性就是它的穿透力，波长越短，穿透力越强。如果波长小到0.01nm以下，X射线就变成了γ射线，穿透力就更强了。

正因为X射线穿透力强，我们用它来拍胸片，做CT，能够透视人体内部的结构。但从另一个方面来说，X射线的强穿透力，也使得构建一个X射线光学系统变得十分困难，从而很难使用透镜组来聚集光束。

对DUV和EUV这类紫外光，玻璃材料的折射还是比较显著的，可以使用玻璃制成透镜，或者是用其它材料制成反射镜。因此光刻机可以先让光线通过一个比较大的掩模版，然后才利用透镜或反射镜光学系统投影出一个非常小的图案，实现投影式光刻。这种做法有一个特别大的优点就是掩模版比较大，做出来也比较容易。

但X射线光刻机就不能用这种办法。X射线的穿透力强，不能像紫外线那样随便拿个镜子就能反射，而普通物质对它的折射又非常微弱，而且一般都略小于1。因此肯定不能用玻璃来制作X射线透镜，需要使用特殊的方法，例如在一块铝合金上打出一长排圆柱孔，形成许多个“凹透镜”，来实现X射线的聚焦。但这种聚焦的精度是相当差的，与玻璃透镜系统对紫外线的聚焦相比，简直不可同日而语。

这就使得X射线光刻机使用的是接近或接触式成像，也就是掩模板贴近或直接盖到基片上，这种掩模版与基片的大小是1：1的，芯片是几纳米，掩模版就得是几纳米，生产起来的难度可想而知。而且这种掩模版在X射线的持续照射下容易变形，也容易损坏，还特别难更换，造成X射线光刻机的生产效率非常低。

说到这里您可能也看出来了：X射线光刻机早就有了，在50多年前就已经开始研发，并在多个领域投入了使用，绝不像“立刚科技观察”说的那样：“如果不是我说X-ray光刻机，那些美国人谁听说过？”

但由于X射线光刻机存在一些天生的短板，无法做到DUV、EUV光刻机那样的高精度高效率，所以几十年来一直受到局限。如果真像“立刚科技观察”说的那样，波长越短越好，那干脆找个放射源放出γ射线作为光源，岂不是波长更短？但那样恐怕得用很厚的铅块来雕刻掩模版了，这可能吗？