中国就快生产出EUV光刻机了吗?冷静!
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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。
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。
我们回到正题,
制造一台光刻机有多难呢?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。
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。
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。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。
[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”,原标题为《网传清华大学弯道超车光刻机新方案,冷静》,“返朴”发表时略有修改。
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