光刻机，被誉为芯片制造的“心脏”，是决定芯片性能和工艺水平的核心设备。这颗心脏却一直被外国厂商牢牢掌握，中国芯片产业长期处于被动和依赖的局面。尤其是在高端光刻机领域，荷兰的ASML几乎垄断了市场，其EUV光刻机更是被称为“人类最精密复杂的机器”，其技术壁垒和价格让中国企业望而却步。
但近日，许多论坛都在讲“弯道超车”“力大飞砖”——清华SSMB-EUV“光刻厂”建成，中国将很快彻底改变整个芯片行业生态链。然而，事实并非如此。清华项目组目前仅实现了SSMB作为一种新型光源的原理验证，原理验证和工程应用之间还有很长的路要走。
所谓“光刻厂”并不是真的工厂而是大型科研设施，整个技术研究进度还处于基础研究领域。无论该技术何时成熟落地或能否落地，都不是短短几年能够见证的历史。
目 录
一、清华SSMB-EUV“光刻厂”是否开始建造？
二、光刻机工作原理
三、清华的“光刻工厂”到底咋回事
四、中国是否能完全独立自主研发出最先进的光刻机？
一、清华SSMB-EUV“光刻厂”是否开始建造？
1.SSMB-EUV“光刻厂”的由来
SSMB—Steady-state microbunching即稳态微聚束，EUV—Extreme Ultra-violet即极深紫外光。首先，简单了解一下清华大学SSMB-EUV技术的研究和发展：2010年，斯坦福大学教授、清华大学访问教授赵午与博士生Daniel Ratner提出了SSMB概念；2017年，清华大学工程物理系的唐传祥教授与赵午教授发起SSMB研究项目，开展理论分析，并与合作单位进行实验；2021年，由清华大学、亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心、德国联邦物理技术研究院合作完成的论文发表于《Nature》，文章题为“Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching”（稳态微聚束原理的实验演示），唐传祥教授与亥姆霍兹中心的Jörg Feikes博士为共同通讯作者；2022年，唐传祥教授和和邓秀杰博士在《物理学报》上发表了同名特邀综述《稳态微聚束加速器光源》。
但论文以及综述中，完全没有出现“光刻厂”三个字，可以确定论坛中力大飞砖的“光刻厂”并非出自项目组之口。在论文conclusion的总结段落，写到SSMB作为一种新型光源原理，其原理实验验证已经实现，但需要建设运行在EUV波段的SSMB加速器光源研究装置，培养科学及产业用户，并提高其技术成熟度。所以，SSMB工作还处于基础研究阶段。
那么论坛中所谓的“光刻厂”是由何而来的呢？可以确定的是，雄安新区确实有一个设施，但它并不是“光刻厂”，而是综述中所说的“研究装置”。在雄安官网的报道中，该项目的定位也写明是“大科学装置”。可见，无论是清华大学官网，还是与之签约的雄安新区，对“SSMB项目”所建设的设施定位都是用作科学研究，而非工业应用。
2.“光刻厂”建筑物的真身
值得一提的是，根据河北清华发展研究院官网的报道，SSMB项目的建设用地选址是在2月23日才初步确定，现在不仅没有投入生产，外部建筑和内部仪器设施都还未全部完工，那么论坛里“光刻厂”建筑物又是什么呢？
该建筑物其实是中国科学院高能物理研究所位于北京怀柔科学城的“高能同步辐射光源”，根据中科院高能所官网的信息，它预计在2025年建成运行。该装置的建筑外形像一个放大镜，可以看作是探测微观世界的“超级显微镜”。高能同步辐射光源项目将在我国先进材料、航空航天、能源、环保、医药、石油、化工、生物工程和微细加工等领域广泛应用，提供突破瓶颈问题的关键手段，通过推动技术创新，提升企业的核心竞争力，推动相关高科技产业的发展。
原理验证及更早阶段，清华大学使用了德国联邦物理技术研究院的设施进行实验；之后的lv.4-lv.6，是逐步从实验环境向真实使用环境的仿真场景中过渡，需要更复杂的实验环境，这要求项目组建造自己的实验设施；lv.7-lv.9，是从bug满满的工程原型机到可以正常使用的量产机。
雄安新区在建的大型设施的任务，是把当前lv.3的“完成实验原理验证”提升到lv.6，而不是作为“光刻工厂”，这种工程化的任务不是“大科学装置”所承担的。
2022年，清华大学工程物理系发布了“稳态微聚束光源研发岗位招聘信息”，里面提到SSMB项目“已经列入学校2030创新行动计划”。如果该项目在2030年之前能够完成设施建设，并开展研究，至于是初步演进到lv.4还是突飞猛进到lv.6，这取决于个人乐观与否。
总而言之，所谓的“光刻厂”并不是真的工厂而是大型科研设施，整个技术研究进度还处于基础研究领域，而相关的“工厂建筑物”也只是对中科院科研设施的张冠李戴，无论该技术何时成熟落地或能否落地，都不是短短几年能够见证的历史。
二、光刻机工作原理
1.光刻机的工作原理
光刻机大致有三大关键系统：光源、镜头组、控制系统。
光刻过程涉及光源(Light source)、掩膜(Mask)、缩图透镜(Lens to reduce image)、即将曝光的晶圆(Die being exposed on wafer)。
光刻机刻晶圆的过程是：用光照射掩膜，光线透过掩膜镂空的部位，经过透镜组在涂有光刻胶的晶圆上形成一个缩小的像，被光照的光刻胶发生化学变化（有两种感光方式，一种是被光照变得可以洗去，一种是光照后变性不能洗去），然后洗去晶圆上可以洗掉的光刻胶，再用离子蚀刻晶圆，从而得到一层电路的基底，再对挖过坑的晶圆镀金属（一般为铜），再打磨到设计好的位置，这样就形成了一层电路。
2.光刻机的精度
瑞利准则可以用来计算光刻机的精度：
，
代表光源波长，
代表物镜的数值孔径，
代表光刻工艺因子（包括环境因素，如温度湿度等）。而
，n为投影物镜系统像方介质的折射率，
为投影物镜像方半孔径角，孔径角又称“镜口角”，是透镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。因为空气的折射率为1，而水或液体的折射率大于1，所以浸没式光刻机是可以提高分辨率的。
光刻机的精度与光源波长、镜头组、介质有关，与光源强度没关系，光源波长一定的情况下，其分辨率已经是固定的。只是光的波长越短，光的能量是越大的，所以光源发射功率要更大。
光具有波粒二像性，光子有大小，但所有波长的光子都是一样大的。不同波长的光之前是用棱镜来分解的，但是到了EUV级别的极短波长的光，被透镜吸收率是非常高的，所以EUV光刻机的光学系统改用为反射镜。
3.我国光刻机的瓶颈
我国光刻机的瓶颈是整体一致性和稳定性。我国在光源的一致性上有一定的差距，并且光学系统不是知道原理就能做出来的，这都需要用时间来沉淀。
三、清华的“光刻工厂”到底咋回事
1.光刻机的技术路线
芯片界有一个著名的定律——摩尔定律，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍，想把晶体管越做越小，自然需要更精密的刻刀——光刻机，所谓7nm光刻机就是光刻机能刻蚀的最大分辨率。
光源，作为影响光刻机制程能力的最关键部件，直接引领了光刻机过去的技术更迭。对于光刻机，ASML早期研发阶段曾得到美国大力扶持，美国帮助其获取最新的研究成果。作为条件之一，ASML供应链里至少要有55%的美国供应商。另一方面，在美方协助下，ASML得以顺利收购几大可能阻碍其技术升级的关键供应商，例如通过收购全球准分子激光器龙头企业美国Cymer公司，控制了EUV产业链上除镜片组外最重要一环——13.5nm极紫外光光源。
从技术层面看，Cymer公司采用的是激光等离子（LPP）技术路线，这一技术利用泵浦激光器产生的激光束照射锡液滴，锡等离子体直接辐射出波长13.5nm、功率约250瓦的极紫外光。这个LPP方案成为了国际公认最具工程实现价值的技术路线，其他如同步辐射、自由电子激光等方法因工程化问题未能落地。
清华SSMB方案集同步辐射与自由电子激光两者优点于一身，且具备了工程化落地的条件
2.一台光刻机，半部科技史
光刻机的发展一直围绕分辨率提升为重点。1985年之前的光刻机光源，以g线（436nm）为主。1985年以后，出现少量I线（365nm）光刻机，在此期间尼康和佳能两大光学巨头在东京电子、日立、迪恩士等一系列日本厂商支持下，在1984年后主导了全球光刻机领域，80年代也成为了日本半导体产业高光时刻。在以追赶日本为目标的欧洲半导体复兴计划推动下，飞利浦催生出了当今的光刻机巨头ASML。而ASML能够击败日本坐稳光刻机巨头宝座，则得益于光刻机分辨率提升过程中的关键技术创新。
早期光刻机通过升级光源来支撑更高的分辨率，光源波长从365nm到248nm，再到193nm，之后，这条技术路线已经很难走下去。但也正是在193nm到157nm制程的升级过程中，ASML通过合作伙伴台积电的一个简单却不平凡的改进建议，成功跨越193nm陷阱。
ASML当时大胆采纳台积电提出的浸没式改进建议，创造性地将曝光介质换做了水，193nm波长光源不变，但通过水的折射，可使进入光阻的波长缩小到134nm。这意味着相同光源条件下，浸没式光刻机的分辨率可以提高1.4倍。效能的跨越式提升直接将日本157nm方案甩在了身后。随后结合不断改进的镜头、多光罩、波段灵敏的光刻胶等技术，浸入式193nm深紫外光刻机（DUV）一直做到今天的7nm制程能力。没了对手的ASML在此基础上，进一步研发了13.5nm光源的极紫外光光刻机（EUV）。
2018年贸易战爆发后，美国开始围堵中国半导体产业。而在美国配套零部件企业钳制下，ASML亦步亦趋站到了墙外，直接导致中国至今无缘EUV。
3.厚积薄发，步步为营
大功率光源是EUV光刻机的核心。目前ASML公司采用的激光等离子（LPP）光源功率约250瓦，但随着芯片工艺节点的不断缩小，对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。
越做越小的光刻机工程难度越来越大，于是将光源大型化反倒有了工程实现价值。当EUV需要的光功率达到千瓦量级时，LPP-EUV光源的功率将遇到瓶颈。而同步辐射和自由电子两种光源，虽然各自的优势明显，却也都有着工程化弊端。同步辐射可实现高频辐射，但是频谱范围太宽，峰值辐射功率不足。自由电子光源能够实现高峰值亮度，但缺点是脉冲重复频率比较低，导致平均辐射功率上不去，需要进行能量回收。
清华SSMB-EUV光源，综合利用了两种加速器光源的优势，峰值辐射功率和平均辐射功率都得到明显提升，可以突破目前光刻机LPP-EUV路线的功率门槛限制，实现千瓦级大功率稳态辐射光。
但清华SSMB-EUV光源项目仍然处于选址阶段。同时，对于下一代光源项目，美国、日本等光刻机强国也进行了大量相关研究，所以并不存在清华光源“一家独大”的情况。对于科技的发展进步，我们仍然需要一个客观的态度及视角。
四、中国是否能完全独立自主研发出最先进的光刻机？
1.光刻机生产的芯片
光刻机是生产芯片的关键设备，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。衡量一块芯片的工艺先进程度，用的是纳米（nm）这样一个单位，数字越小表示芯片越先进，例如10nm的比14nm先进，7nm比10nm先进。芯片上的电子元件，也就是晶体管，是被刻出来的，在同样的面积上，能刻出来的晶体管越多，芯片也就越先进。
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——极深紫外光，即EUV，波长为13.5nm，但并不是13.5nm波长的激光就只能刻13.5nm的芯片，它其实能刻7nm、5nm，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，简称DUV，波长是193nm，比EUV大了一个数量级，华为最新手机用的7nm制程麒麟9000s芯片就是用DUV刻出来的——193nm的波长利用多重曝光技术可以刻出7nm的芯片，但多重曝光技术在大规模生产时，会有很多失败的芯片浪费掉，芯片的良率比较低，次品率比较高。不过即使是193nm的光刻机，我国现在也还是造不出的，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。
2.制造一台光刻机的难度
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。
首先关于光源。要产生13.5nm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。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，会成为锡等离子体，这时再用一束激光轰击它，这时就能产生波长13.5nm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。并且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，通快公司也不能生产出这台激光器。
其次关于光学系统。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？这就需要光学系统的作用。为EUV研制的光学系统全世界也只有一家名为蔡司的德国公司能制造。这套光学系统至少涉及高精度非球面加工、多层膜反射镜、高质量熔炼、离子束抛光技术、极限精度磨制等过程，其最终的目标是制作出一片绝对光滑平整的镜片——镜片的起伏大约是一个原子的误差，接近理论上的物理极限。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。
最后关于蚀刻工作台。为了把几百亿个晶体管刻成，我们需要一个精度极高的控制台，这个控制台有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，少了任何一个都不行。
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。并且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。
3.中国独立制造光刻机的进程
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。目前只能说，在第一个光源部分，我国看到了一点点希望。
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提出了“稳态微聚束”(SSMB)——利用巨大的粒子加速器来产生极深紫外光的原理；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，他们的文章“Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching”（稳态微聚束原理的实验演示）在《Nature》发表；2022年3月，唐传祥教授和邓秀杰博士又在我国的《物理学报》上发表了同名特邀综述。目前为止，整个技术研究进度还处于基础研究领域，中国离实现完全独立生产极深紫外光刻机还有非常长的一段路要走。
甚至在20年之内，这个世界上不可能有任何一个国家可以完全独立自主的造出一台代表国际最先进水平的光刻机。实事求是才是发展科学技术的正道，光刻机这种超级精密复杂的机器，寻求最大范围的国际合作才是最佳解决方案。
