中国在光刻机技术上的挑战与机遇

潘金金 2023-09-20 阅读:1008129 评论:0
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》上发表了一篇论文,报告了他们对基于被称为SSMB原理产生极深紫外光源的理论完成了一定的实验验证。但时隔两年后的今天,这一工作突然被一些自媒体炒作为中国将建立起EUV光刻机工厂...

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》上发表了一篇论文,报告

了他们对基于被称为SSMB原理产生极深紫外光源的理论完成了一定的实验验证。但时隔两年后

的今天,这一工作突然被一些自媒体炒作为中国将建立起EUV光刻机工厂。但是,独立制造一台

光刻机,能有这么快吗?

image.png

最近这一周,一则科技新闻在网上风传,消息说中国科学家发现了一种新的产生极深紫外光源的

原理,可以突破光刻机的卡脖子技术难题。甚至还有很多人传说,我国已经在雄安开始建设光刻

工厂了,“有图有真相”,说得有鼻子有眼。


很多人来问我是不是真的,我先说答案:新的光源产生原理是真的,但那个早在 2010 年就提出

了,目前还处在原理验证阶段,离真正实用少说也还有 15 到 20 年的时间。而这次热炒的清华

大学科学家的论文其实也是 2021 年初就发表了,不知道为什么两年半后突然被挖出来热炒。至

于雄安建什么光刻厂云云,那就是以讹传讹,子虚乌有了。


今天刚好借着这个话题,来跟大家聊聊造一个光刻机为什么那么难,中国有没有可能完全独立自

主研发出最先进的光刻机。


光刻机就是用来生产芯片的关键设备,我们用的每一台电脑,每一台智能手机中的芯片就是用光

刻机生产出来的。

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衡量一块芯片的工艺先进程度,用的是 xx 纳米(nm)这样一个单位。纳米是个长度单位,1 纳

米等于 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,

大家就惊呼,哇,这款手机用的芯片是 7nm 制程的,不得了。这里解释一下 7nm 制程是什么意

思,简单来说,芯片上的电子元件,也就是晶体管,是被刻出来的,就好像我们在橡皮图章上刻

字。在同样的面积上,能刻出来的晶体管越多,芯片也就越先进。在芯片领域,就是用多少多少 

nm (纳米)来表示芯片的先进程度,数字越小表示芯片越先进。10nm 的比 14nm 先进,7nm

 比 10nm 先进,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

世界最先进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购了。不过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,它其实能刻 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

一个数量级。华为最新手机用的那个 7nm 制程麒麟 9000s 芯片就是用 DUV 刻出来的,是的,

193 纳米的波长,利用一种叫做多重曝光的技术就可以刻出 7nm 的芯片。但就是这种 193 纳米的

光刻机,我国现在也还是造不出,能造出 DUV 的全世界也只有日本的佳能和尼康,以及荷兰的阿

斯麦公司。对,你没听错,美国也不行。


这里顺便插一句什么是多重曝光技术。我用一个最简单的比方来试着说明一下,比如说,现在你有

一个画正方形格子的机器,但它能画出来的正方形的格子的边长是 100 毫米,你有没有办法利用这

个机器画出小于 100 毫米的正方形格子呢?是可以的。方法就是我先在纸上画很多连在一起的格子,

形成网格。然后我把机器稍稍挪动一下位置,在这张纸上再画一次,这样又会画出一个新的网格,

两个网格重叠在一起,线条就会交错形成更小的格子。你自己可以拿笔在纸上试一下。


光刻机每次刻芯片的过程就是一次曝光,用 DUV 去生产 7nm 制程芯片也是一样的,一次没办法,

就多曝光几次,每次曝光之后就移动一小步再曝光。这样就可以刻出更小的晶体管。当然了,这样

做也不是没有副作用的,那就是出错的可能性也更大了,大规模生产的话,会有很多失败的芯片浪

费掉。用专业术语来说,就是芯片的良率比较低,次品率比较高。


我们回到正题,制造一台光刻机有多难呢?


我先定个性,光刻机是目前为止,人类有能力制造的最精密和复杂的机器,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

的技术挑战都堪比登月。


先说光源。要产生 13.5 纳米波长的极深紫外光,目前的做法是用高功率的激光轰击一个直径只有三

千万分之一米的小锡球(就是金属锡的锡)。但这一句话不足以描述它的难度,我需要展开来说。


首先要让一束激光准确击中正在以时速大约 200 英里运动的小锡球,等小锡球的温度达到 50 万度

时,再用一束激光轰击它,这时就能产生波长 13.5 纳米的极深紫外光。要持续稳定产生这种紫外

光,需要以每秒钟大约 5 万次的频率轰击小锡球。这种激光器全世界只有一家德国公司能生产,这

家叫通快的德国公司用了十年时间才研发成功,单单是这台激光器就有 45700 多个零件。但你可能

没想到,通快公司的这台激光器又依赖于一家立陶宛的公司提供关键设备,没有这家立陶宛公司制

造的光源设备,通快公司也不行,简直就是螳螂捕蝉黄雀在后的既视感。下一个难关是如何把这种极

深紫外光收集起来,形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世界也只有一家德国公司能制造,它就是大名鼎鼎的蔡司

公司。你可能听说过蔡司生产的相机镜头是世界上最好的镜头之一,可是相机镜头与 EUV 光学系统

用的镜头比起来,那就好像是螺旋桨撒农药的飞机和喷气式战斗机的差别了。这套光学系统至少涉及

以下这些技术挑战: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。刚才说的这一串技术名词你不必深究,你只需要知道,最终的目标是要制作出一片绝对光滑平整

的镜片,要光滑到什么程度呢?就是三体中水滴的那种光滑程度,镜片的起伏就是大约一个原子的误

差,接近理论上的物理极限。如果用蔡司自己的宣传比喻,就是把这片镜片放大到整个德国那么大,

起伏也没超过 0.1 毫米。如果一个病毒落在这片镜子上,那就好像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,这只是好

比我们有了刻字的刻刀,接下去一步是要在指甲盖大小的硅片上刻出几百亿个晶体管。


精密仪器工作台。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,我很难找到准

确的比喻来形容它的制造难度。这个控制台由 55000 个高精度的零件构成,而这些零件又至少依赖

于日本、韩国、中国台湾、美国、德国以及荷兰自己提供的专利技术,少了任何一个国家都不行。


以上这些,大概就是制造一台目前世界上最先进的光刻机的难度。它的研发历史大概是这样的:1997 

年,英特尔公司和美国能源部共同投资一家公司,开始研制 EUV 光刻机。在 6 年的时间中,这家公

司研发了绝大部分的核心专利技术。但英特尔和美国能源部都不打算自己造光刻机,因为他们觉得造

光刻机其实不挣钱,还不如把核心技术授权给一家外国公司,让他们去造光刻机。后来,荷兰的阿斯

麦公司拿到了这些核心技术的授权,然后在三星和台积电等公司的帮助下,终于在 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,最终在 2019 年生产出了第一台可以正

式投入商业生产的 EUV 光刻机,总共历时 22 年。


然而,虽然 EUV 光刻机是荷兰的阿斯麦公司生产的,但它也不过就是一个组装厂,只有 15% 的零

件是自主生产的,其他 85% 的零件依靠进口。又因为美国能源部拥有光刻机几乎所有的核心专利,

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原因。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。


中国想要突破技术封锁,独立生产光刻机,就需要在全部三大关键部分上实现完全的自主创新。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,同时也是清华杰出访问教授赵午与他的博士生一起提出了一种产

生极深紫外光源的新原理,这种原理被称为“稳态微聚束”,英文简称 SSMB,就是利用巨大的粒子

加速器来产生极深紫外光。2017年,清华大学的唐传祥教授团队与德国的同行一起合作,完成了实

验的理论分析和物理设计,并开发测试实验的激光系统,进行了一定的原理验证。2021 年2 月,他

们的论文在《自然》杂志上成功发表[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

柏林材料与能源研究中心的另外一位教授是通讯作者。这里顺便提一下学术圈的一般规则,第一作者

一般是指该研究课题中贡献最大的人,而通讯作者则是课题的负责人和成果受益人。


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》上发表了同名论文[2]。可能

他们自己也没想到,一年多后,不知道什么原因,大概是在 2023 年的 9 月 13 日,不知道是哪个自

媒体发了个视频,标题很那个啥,叫《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》,然后,仿佛一把火,各个自媒体平台都开始以各种“逆天了”三个字开头为题,来热

炒清华大学的这个 SSMB 方案,看得我都傻了。


我希望大家冷静的是,我们现在离实现生产极深紫外光刻机还有十万八千里,千万别上头。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 实验装置列为十四五国家重

大科技基础设施。但是,我没有查到任何立项的新闻。考虑到这是民用科研项目,而不是军事项目,

如果立项都是需要公示的,因此,至少到目前为止,这个项目还没有立项。


我们就算乐观一点,明年能够立项,但这种级别的科研装置,没有个 5 年是很难建成的。建成以后我

们再乐观点,第一台研究型装置运行五年之后能够做出一个有效的技术验证,然后再通过技术验证,

进一步升级装置,最后通过装置来生产一些科学实验芯片,但这一系列的工作其实最快也需要 15 年

到 20 年的时间。


假如一切顺利,最终的结果是我们可以独立自主生产 EUV 光刻机,然后开始生产商用芯片,最少也要

 20 到 30 年。这还不包括生产芯片的流程,我们需要大量的磨镜、磨晶体圆盘、化学试剂、工艺设备

,这一些全靠进口。


所以,我国要在光刻机领域实现全自主研发,还有很长的路要走。现在的焦虑有点像是一个初中生刚上

完初中,就想着怎么考上北大,太焦虑了。


我不反对每个人有梦想,我只是认为每个人在做决策的时候要脚踏实地,不要被过度的焦虑和不切实

际的期望所困扰。毕竟,中国有句古话,“买椟还珠”。


综上所述,光刻机是一种高度复杂、精密度极高的设备,制造一台光刻机需要协同多个国家的科研力量,

掌握多项核心技术,历经多年甚至数十年的研发。中国在光刻机领域有一些研究成果,但要完全独立自

主研发出最先进的光刻机,还需要时间和努力。所以,在当前阶段,中国的光刻机技术仍然面临挑战,

但也有机遇,需要持续投入研究和创新,同时也需要与国际合作伙伴进行合作,以推动光刻机技术的发展。


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