把光刻機做成“光刻廠(chǎng)”，國產(chǎn)方案的腦洞究竟有多大？

光刻機行業(yè)，正發(fā)生著(zhù)微妙改變。

距離華為Mate 60 pro突然開(kāi)售已經(jīng)過(guò)去半個(gè)月，線(xiàn)上預訂的粉絲們最近都陸續收到了新機。

但由于華為官方一直沒(méi)有召開(kāi)手機發(fā)布會(huì )，因此這款手機上依然有非常多的謎團等待解開(kāi)。

就例如，這顆突然“空降”的麒麟9000s處理器，究竟算不算5G芯片？華為又是如何在重重封鎖下，“手搓”這顆純國產(chǎn)芯片呢？

在這里，我們就不對華為背后的技術(shù)和進(jìn)行過(guò)多揣測，但可以肯定的是，國產(chǎn)光刻機技術(shù)在近期有不小的突破。

巧的是，就在最近，一項來(lái)自清華大學(xué)的光刻機技術(shù)在網(wǎng)絡(luò )上火了起來(lái)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把光刻機做得足夠大，就能生產(chǎn)出EUV光刻機需要的光源。

這樣的腦洞，不僅路人們聽(tīng)上去玄乎，就連不少技術(shù)人員也表示了驚嘆。

一時(shí)間，網(wǎng)上的解讀和質(zhì)疑聲也是層出不窮。

什么是SSMB

這項由清華大學(xué)提出的技術(shù)，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)名叫“穩態(tài)微聚束”（steady-state micro-bunching），簡(jiǎn)稱(chēng)SSMB，是一種新型的粒子加速器光源。

最早由清華大學(xué)杰出訪(fǎng)問(wèn)教授趙午教授與其博士生于2010年提出，并在2017年，與清華大學(xué)工程物理系教授唐傳祥合作，共同發(fā)起理論實(shí)驗。

在2022年的中國物理學(xué)會(huì )秋季學(xué)術(shù)會(huì )議上，研究組成員潘志龍提到了由SSMB技術(shù)造出來(lái)的光刻機，叫作“SSMB-EUV”光刻機，而這也正是最近討論的話(huà)題的來(lái)源。

圖源 |寇享學(xué)術(shù)

SSMB背后涉及的原理非常復雜，筆者并不能完全解釋?zhuān)赃@里就結合幾位科普博主的講解視頻，簡(jiǎn)單進(jìn)行一點(diǎn)概括。

首先，光刻機的原理，是利用光刻機發(fā)出的光源，通過(guò)設定好圖形的光罩，對涂有光刻機的硅板進(jìn)行曝光，從而“刻”出電子線(xiàn)路圖，再進(jìn)行一些后期加工，最終形成芯片的雛形。

如果光源的波長(cháng)越短、功率越大，這樣的“光刀”就更加鋒利，“雕刻”出來(lái)的電子線(xiàn)路圖也就更加精密，芯片的性能與算力也就越強。目前，波長(cháng)僅為13.5nm的極紫外光（EUV），是高端芯片的唯一選擇。

從電磁波譜上看，EUV已經(jīng)非常接近X-射線(xiàn)，這么高的能量，單靠物理操作很難實(shí)現。

ASML采用的是LPP模式，通過(guò)一臺功率大于20 kW的CO2氣體激光器轟擊液態(tài)錫，形成等離子體，從而產(chǎn)生極紫外光。

圖 |LPP-EUV

在找到EUV光源解決方案后，加上多年以來(lái)的光刻技術(shù)，ASML做出業(yè)內最頂尖的EUV光刻機，最終壟斷了整個(gè)市場(chǎng)。

值得一提的是，為ASML提供EUV技術(shù)的是美國公司Cymer，這是全球唯一能夠提供商用EUV光源的公司，國內自然無(wú)法從外部解決光源問(wèn)題。

不過(guò)，實(shí)現EUV光源的方案不止一種，清華大學(xué)團隊想到了用加速器加速電子，從而產(chǎn)生高功率的輻射。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電子只要加速運動(dòng)，就會(huì )發(fā)射電磁波，理論上只要加速度夠快，那么必然出現符合EUV波長(cháng)的“光子”。

但光有一個(gè)“光子”還不夠，想做光刻機需要穩定的“光束”。

研究人員發(fā)現，當電子束繞過(guò)加速器后，受到磁場(chǎng)的作用，會(huì )形成精細的微結構，這種就是“微聚束”。

圖源 | 《自然》雜志

再讓這些微聚束穿入激光陣列，通過(guò)激光與電子的相互作用，形成有一定間隔，相對聚集的排列，就這樣，微聚束被“穩態(tài)”地保持了。

就這樣，穩態(tài)微聚束呈現出極紫外光的高功率與短波長(cháng)，算得上一種全新的EUV光源解決思路。

光刻機做成“光刻廠(chǎng)”，靠不靠譜？

解釋完SSMB技術(shù)，光刻廠(chǎng)又是怎么一回事？

在網(wǎng)上，有人把“SSMB-EUV”光刻機稱(chēng)作光刻工廠(chǎng)，甚至給出了工廠(chǎng)所在的地河北雄安新區，并貼出了相關(guān)圖片（注：網(wǎng)傳圖片為高能同步輻射光源項目，并非SSMB設施）。

據悉，除了3nm工藝外，4nm、7nm、14nm、28nm，但凡你聽(tīng)說(shuō)過(guò)的芯片制程工藝，都能在這個(gè)光刻工廠(chǎng)里解決。

圖源 | 微博

為了更好地理解，有人形象地將光刻工廠(chǎng)比喻成籃球架——如果說(shuō)以前最中心的籃筐里（3nm）難度很大，那么就多加幾個(gè)籃筐（其他工藝），只要投籃次數夠多，總能投到最中心籃筐，而投不進(jìn)的話(huà)，掉到其他籃筐里也能得分。

從原理上來(lái)說(shuō)，光刻工廠(chǎng)和SSMB技術(shù)確實(shí)有很大的關(guān)聯(lián)性，都是利用電子束加速產(chǎn)生電磁波，從而得到對應的波長(cháng)。由于粒子加速器體積大（加速器周長(cháng)100-150米），同時(shí)需要很多配套設施，因此占地規模大也非常正常。

當然，方案可行，實(shí)施起來(lái)并沒(méi)有那么容易。

首先，從官方新聞稿看，這次在雄安新區落地的SSMB-EUV光源設施項目更接近科研用途，而不是實(shí)際生產(chǎn)。

從研發(fā)進(jìn)程來(lái)看，SSMB-EUV技術(shù)在2021年在《Nature》雜志上正式刊登，通過(guò)原理驗證實(shí)驗，想在短時(shí)間內跨過(guò)下一步驗證，走向商用，還要一定時(shí)間。

其實(shí)，不論是光刻機還是光刻工廠(chǎng)，光源只是光刻機中的關(guān)鍵設備之一，其他配套設備同樣不可或缺。

作為一種全新的方案，其他國產(chǎn)替代設備是否適配SSMB-EUV技術(shù)，還是一個(gè)未知數。

最后，就是不少人提到的能源消耗和使用成本高的問(wèn)題，雖然后續可以通過(guò)建造多條生產(chǎn)線(xiàn)將成本攤薄，但這就需要極強的規劃能力和長(cháng)期運營(yíng)能力。

總之，方案有了，思路有了，光刻工廠(chǎng)值得期待，但距離實(shí)際生產(chǎn)還有一段距離。

國產(chǎn)光刻機，奮力追趕

如今時(shí)隔三年，SSMB技術(shù)再次引起討論，足以看出國人對國產(chǎn)光刻機的期待。除此以外，國內還有其他出色的EUV光源方案，例如位于大灣區的廣智院，就提出了改進(jìn)型的LPP模式，通過(guò)繞開(kāi)二氧化碳激光器這個(gè)部件，產(chǎn)生出極紫外光。

但從理論走向實(shí)物，依然要走漫長(cháng)的道路，只有產(chǎn)業(yè)鏈上下游的配合，才能真正實(shí)現光刻機的突破。除了光源這一環(huán)節以外，光刻機上下游還有非常多的環(huán)節，很多都避免不了來(lái)自外界的壓力。

另一方面，行業(yè)巨頭ASML也在時(shí)刻注視著(zhù)國產(chǎn)光刻機的動(dòng)向。

此前，日本廠(chǎng)商就在與ASML光刻機的競爭中敗下陣來(lái)，最終失去了先進(jìn)制程領(lǐng)域。在A(yíng)SML的背后，有著(zhù)歐美的鼎力支持，這與目前中美競爭形勢非常類(lèi)似。

有意思的是，ASML更像是一個(gè)看重利益的商人，即使頂著(zhù)制裁的風(fēng)險，但ASML依然暗中示好中國市場(chǎng)。

隨著(zhù)國產(chǎn)光刻機奮力追趕，ASML的EUV方案遲早被趕上，光刻機行業(yè)或許會(huì )發(fā)生一些微妙的改變。

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