可能，我们再也不需要ASML的光刻机了

^{作 者 | 张津京}

 

最近这几天，国内某知名大学SSMB的光刻机方案被多位大V传疯了。

 

有的人说国内某知名大学拿出了一个不需要阿斯麦技术的光刻机，也有人说国内某知名大学弄出一个在核电站旁边才能开厂的光刻园区。

 

 

 

而且在短视频平台，你只要输入国内某知名大学和光刻机几个字，成千上万的视频扑面而来，绝大多数讲的内容都非常一致，表明这个光刻机如何如何的了不起。

 

但真正了解其中的原理，以及相关发展的过往，可能对企业突破关键技术领域，取得自身技术进步带来不一样的思路。

 

况且国内某知名大学提出这个技术，一来本身是高能物理探索领域的工具突破，一开始的设计是为了更好的探索粒子肽的相关特性；二来相关的论文早在2021年2月27日，就已经发表在国际知名的自然杂志上。

 

01  光刻机只是副产品

 

这个从2017年就组建的研究团队，当时定的研究方向就是世界物理领域都在追寻的一个“粒子稳态微聚束”，缩写就是SSMB。

 

众所周知，加速器光源是探索物质结构及动态特性的最前沿工具之一。加速器光源发展到今天，主要有两种类型——基于电子储存环的同步辐射光源和基于电子直线加速器的自由电子激光，它们可分别提供高重复频率宽谱辐射光和高峰值功率的相干光。

 

这两种光源在经过所需要探测的粒子时会发生不同的变化，科学家根据记录这些变化以及光图谱发生的相移，就能对粒子的特性进行一个比较清晰的描述和探索。

这个过程特别像我们小时候玩的剪影。灯光打在手势变化的图形上面，在墙上会映射出不同的影子，我们可以看到这些影子，来分辨他们究竟是动物、植物还是其他的一些形象。

 

科学家也是如此，粒子实在太小了，甚至很多粒子还有着自己趋于稳定和不稳定中间的状态，那么日常研究这些粒子的特性，就不能完全依靠视觉或者听觉等人本身具备的探索能力来实施。科学家对于粒子探索是需要工具的。

 

这也是光源加速器现在大行其道的重要原因。当然每一种光它都有自己的优势和劣势，可能只针对部分粒子的探索有效果，对于其他形态的粒子就会产生更多的干扰，结果就不是很准确。

 

在这个基础上，科学家提出稳态微聚束（steady-state micro-bunching，SSMB）新型加速器概念，希望能有机结合两类光源的特点，可提供高平均功率、高重复频率、窄带宽、波长覆盖从太赫兹到软X射线波段的辐射光，具有巨大的科学及产业应用前景。

 

 

 

实际上国内某知名大学的这个团队，从2017年组建是为了高能物理研究领域准备的。而等他们将所有的试验和产品做到差不多的时候，甚至论文都可能写了一半，据说在某次该大学内部研讨会上，很多教授发起了要对光刻机进行颠覆式研发的思考。

 

然后这就引起了团队领军人物某教授的兴趣。带领团队进行了一番计算后他惊讶地发现，他们已经研究定型的稳态微聚束技术，实际上是可以提供光刻机所需要的各个级别的光源。

 

然后，就有了现在大家疯传的国内某知名大学光刻机方案。

 

02  走中国道路，让别人无路可走

国内某知名大学方案的核心，实际上是将光刻机拆成了两个部分。

 

众所周知，光刻机的工作原理就是通过激光发生器以及大批量棱镜的折射，将激光发射器发出的激光，调整到光刻所需要的精度，然后在掩膜和光刻胶的辅助下，将相关设计图刻蚀在晶片上。

 

当然这只是一个特别笼统的说法，真正的光刻程序比这个还要复杂得多，但大体上可以分成这样几个环节。

 

光刻机的曝光分辨率与波长直接相关，半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻。

 

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。

 

EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上“雕刻”电路，最后让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类科技发展的顶级水平。

 

而昂贵的EUV光刻机也正是实现7nm的关键设备，目前，荷兰ASML是全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商，而由于禁令，我国中芯国际订购的唯一一台EUV仍未到货。

 

某种意义上，我们突破类似于阿斯麦这种世界顶级光刻机难点，就在于我们没办法在一个短小的空间内保证激光投射的精度和强度。

 

 

 

当然，阿斯麦为此注册了很多专利，甚至垄断了世界上高精镜面的货源。这也是为什么曾经阿斯麦的CEO狂妄地称：“即使把图纸给了中国人，他们都造不出我们一样的光刻机。”

 

不为人知的是，中国的光刻机现在有三条道路，在同时期推进。除了海微电子和长春光机所以外，国内某知名大学的方案从提出到落地可能是最快的。

 

原因也很简单。

 

国内某知名大学方案的核心是单独建一个光源提供器，然后其他的光刻芯片的技术可以集成在一个大型工具内，由光源发生器向这个工具提供需要的精度的光源，进而达到大规模生产芯片的目的。

 

而这个光源提供器，就是在稳态微聚束技术基础上搞出来的。由于SSMB也就是稳态微聚束的工作原理，是利用一定波长的激光操控位于储存环MLS内的电子束，使电子束绕环一整圈后形成精细的微结构，也即微聚束。然后，微聚束在激光波长及其高次谐波上辐射出高强度的窄带宽相干光。

 

 

 

用通俗的话讲，让激光操控电子束在一个环路内跑圈，电子束跑在不同的部位有不同的速度，同样会影响激光出现不同的光谱和光波长度。简单的话说，我们只要测量在每一个点上激光光谱的长度就可以找到，我们需要生产芯片时所需的激光纳米波长。

 

5nm及以下的芯片必须极紫外光的EUV光刻机才能完成。现在某教授研究组研发的SSMB技术，可以通过稳态微聚束的电子流来激发窄带宽相关光。这个光源的波长可覆盖从太赫兹到极紫外EUV波段。

 

后面的事情就极其简单，只要在这个点上开个口，把相关波长的激光引出来并导入光刻机剩余的部件中，完成芯片的生产就可以了。

 

打个比喻，把从1-100nm的光源当做各种大小不同的球体，然后通过分拣设备，把这些不同大小的球分门别类，让他们统一到相应大小的一个篮子里，直径1nm的球去1nm篮子，直径3nm的去3nm篮子，直径5nm的去5nm篮子，以此类推到直径100nm时就去那个属于100nm的篮子里。而这些篮子就是所谓的接入各种光源的芯片生产线，不同光源接入不同的芯片生产车间，达到一次批量生产多种不同纳米工艺制程的芯片。

 

当然这种设计也有缺陷，一个是耗能比较大，另外一个就是需要一个非常庞大的场地，而不能像阿斯麦一样做成一个集装箱就能装下的光刻机卖往世界各地。

 

但对于我们现在芯片产业的情况来说，我们并不希望出口光刻机，所以，机器占地面积多大都不是问题，反而是解决高精度光刻的需求更加强烈。

 

 

而对于能耗来说，中国国家电网电力技术全球遥遥领先，特别是超高压输电技术已经非常成熟，甚至在国家层面，为战略工厂配备一个发电站都不是问题。

 

所以从理论到实践这种技术都能说得通，这也是为什么当下所有的大V集体为此兴奋的重要原因。

 

03   对中国科研的影响可能意识不到

 

 

目前ASML公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长13.5纳米的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。

 

SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。它们产生的类似激光的辐射也超出了“光 ”的可见光谱，例如在EUV范围内，最后阶段，SSMB光源可以提供一种新的辐射特性。脉冲是强烈的、集中的和窄带的。可以说，它们结合了同步辐射光的优势和FEL脉冲的优势。

 

可以说，基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

 

很多媒体总结出一个词就叫“大力砖飞”，因为这一套理论实际上解决的是粒子形态探测问题，而相关的辐射物反而成为光刻机所需要的光源。我们并没有像阿斯麦一样在螺蛳壳里做道场，反而开拓了思路，利用一个庞大的光源发生器，提供稳定态的激光来达到相应的生产目的。

 

通过专业物理研究人员的提示可以发现，实际上这一套系统所辐射出去的光源，是系统为了屏蔽探测结果必须排除的杂质。

 

这就产生了一个遐想，是否可以建设一个庞大的光源发生器，并依赖这个发生器来构建一个庞大的芯片生产工厂，同时在光源发生器的另一边，可以建立一个高能物理研究所，这样将整个SSMB系统的效能应用提到极致。

 

目前，根据多方信息显示，国内某知名大学正积极支持和推动SSMB EUV光源在国家层面的立项工作。国内某知名大学SSMB研究组已向国家发改委提交“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书，申报“十四五”国家重大科技基础设施。

 

最新的相关报道显示，这一套设备已经落户雄安新区。

 

2023年3月21日人民网的新闻显示，雄安新区管委会主任张国华与国内某知名大学校领导举行会谈。

 

 

张国华首先代表雄安新区党工委、管委会对曾嵘一行表示热烈欢迎。“希望国内某知名大学充分发挥优势，积极参与新区科技创新和产业发展相关工作，加快推动稳态微聚束（SSMB）极紫外光源设施项目建设，为雄安新区的高质量发展提供科技战略支撑。新区将一如既往地全力做好服务保障工作，共同推进项目落地发展。”

 

 

从这个新闻能看出，国内某知名大学的相关项目落户雄安是事实，而且已经在建设阶段。

 

 

 

所以，所有人都可以期待，我们的光刻机可能会呈现一个跨越式或者换道超车的效果。当然到那个时候，我们出现的就不是光刻机，而是光刻产业园。

 

但无所谓，黑猫白猫，抓住耗子就是好猫。

 

而这种跨界应用研究成果解决实际问题的思路，可能会对我们其他卡脖子的科研关键点突破，带来不一样的解决方案。

 

这个，比我们解决光刻机事件本身，对中国的科研体系更有意义。