“光刻厂”不是真的，但依旧意义重大

如果说“光刻技术”是科技产业里的原子弹，那么光刻机这种小型化、可以拉到生产线上转化为生产力的装备就相当于搭载了核弹头的洲际导弹。

但我们需要注意的是，在研究原子弹的时候，在技术原理和最终的小型化实用装备之间，有一个不可以被忽略的步骤——塔爆。

看过《横空出世》或《奥本海默》的朋友应该都知道，不论中美，第一颗成功爆炸的原子弹都是安装在高高铁塔上的、没有小型化的大号实验性原子弹——因为人们必须跑通理论研究、原型设计和实际爆炸实验才能确定自己的方案靠谱。

小型化，是更后面的事情。

最近“光刻厂”的事情整得很热闹，很多人都觉得我们以后不用光刻机了，改成光刻厂——这种感觉就像是咱们不用造导弹了，直接全部造塔爆原子弹就好了。

不过，虽然“光刻厂”最终被证明只是网友们颇有大工业趣味的浪漫想象，但被认为是“光刻厂”的两个装置——怀柔HEPS和雄安SSMB，确实和光刻机有很深的联系。

图源：中国科学院高能物理研究所

因为某种意义上可以说，这两个装置就是中国光刻机的“塔爆”装置——它们不是光刻厂，也不参与芯片的生产，对当前芯片的制造没有什么直接意义——但如果我们在这两个装置上取得了预期的成绩，那么中国的光刻机研发，尤其是光刻机光源的研发，则会获得显著的进步。

这两个装置，是我们在国产光刻机研发路上的两个前锋先驱。

要了解这两个科学装置的伟大意义（也就是网友传说的“光刻厂”），就要先简单了解一下光刻机的一些基本知识。

光刻机作为芯片生产环节里最核心的设备，其主要的工作方式是将光线通过特定的遮罩掩膜后，经过镜片缩小后投影在晶圆上——晶圆上涂抹了感光的光刻胶，经过显影程序后，最终可以留下特定的图案。

这就是光刻机在芯片上建造集成电路的基本过程。

但随着技术发展，芯片开始越来越复杂了——在有限的、只有指甲盖大小的空间里，人们需要放进去数十亿个晶体管。因此，对于光刻机的要求也就越来越高，具体来说，是对光刻机光源的要求越来越高。

因为如果想实现更先进的工艺制程，就必须有更短的波长。

早期的光刻机用的是汞灯射出的紫外线，也就是所谓的g-line光源，波长436nm，能加工的最先进的制程是250nm。后来随着技术发展，换成了准分子激光光源，可以发射193nm波长的深紫外线，也就是所谓的ArF光源——在ArF光源下，最先进的制程就只有22nm了。

但问题是，技术发展是没有止境的。22nm制程跟不上消费电子行业的蓬勃发展，人们需要更先进的芯片。

7nm/5nm/3nm……虽然这些数据咱们现在很常见了，但业内的科学家们对这种趋势早有预见，实际上从80年代开始就启动了对这些工艺制程节点的冲击。冲击的结果，就是必须要有一个新的光源——ArF光源的193nm波长还是太长了，没办法满足要求。

最后解决这个问题的是美国的Cymer公司，它提供了一种极度复杂的光源——波长仅为13.5nm的极紫外线。

这种光源的工作原理极为复杂：高能的二氧化碳激光照射在滴落的、只有20微米直径的锡滴靶材上，这种轰击会让锡材料瞬间产生等离子体，这些等离子体会发射出波长为13.5nm的极紫外线——最终通过复杂的透镜组将这些四处乱射的极紫外线聚拢起来，射到掩膜上。

这就是欧美企业和科学家们为了获得13.5nm波长的极紫外光源所作出的努力。

然而，这种光源实际上有很大的弊端。首先就是它太过于复杂了，为了击中直径只有20微米的锡靶，二氧化碳激光器每秒钟要“射击”50000次，而且蒸发的锡靶还会对设备内精密的光学设备产生污染——最要命的是，这种光源的功率太低了，20kW的激光轰击下，等离子体产生的辐射功率只有不到500W——还不如一个家用冰箱的功率大。

过低的功率，最终导致的就是产量感人；

而产量感人，也就意味着没有什么规模效应，成本居高不下。

但即便如此，这也是目前最最先进的东西了。

现在，就该谈谈咱们那俩所谓的“光刻厂”了。

怀柔HEPS和雄安SSMB其实是同属于一个大类的，因为两者研究的都是“同步辐射”。

而同步辐射，是一种光源。

同步辐射光源的历史非常悠久：1947年的时候，科学家们首次在电子同步加速器上发现了一种现象：速度接近光速的带电粒子在电磁场中做偏转运动时， 沿运动轨迹的切线方向会发出电磁辐射——这就是所谓的“同步辐射”。

这种同步辐射有很多优异的特性，亮度高，能谱宽，有较高的准直性和偏振性，因此从70年代开始，全球科学家都在研究基于这种同步辐射的光源。

在中国，我们已经有了四代同步辐射光源：一代站在北京（BSRF），二代站在合肥（HLS），三代站在上海（SSRF），四代站在北京怀柔（HEPS）。而雄安的SSMB，其实也算是这个范畴，只不过SSMB往前更多地走了一步——Steady-statemicrobunching，稳态微聚束光源，是清华大学的唐传祥教授团队联合了德国、美国的科学家团队一起研发的一种全新的光源方案。

图源：中国科学院高能物理研究所

具体的技术细节太复杂，我们就不多说了。我们需要知道的是：SSMB光源最诱人的地方就在于它能提供各种各样波长的射线，别说波长13.5nm的极紫外线了，5nm波长的软X射线也轻轻松松，而且功率最大可达4kW，远胜于Cymer公司那劳什子的“锡滴轰击法”。   

好是真的好，但问题是，同步辐射的光源并不简单。

在唐传祥教授的论文中，他列举了几个主要的技术挑战（为了严谨，我这里直接贴论文原文了）。

物理问题解决后， 能否真正实现SSMB光源，关键就是技术的可实现性。

这里给出SSMB光源相关的几项核心技术：

1）激光调制器：从前文SSMB的概念介绍中可以看出，激光调制器与微波射频腔的对应，是SSMB与传统储存环相比最重要的区别。为了实现SSMB，需要调制激光功率高、相位锁定；而为了实现高的束流占空比，从而提升SSMB辐射光的平均功率，需要采用连续波或高占空比的调制激光。要同时满足这些需求，SSMB的激光调制系统拟采用光学增益腔。

2）长脉冲注入系统：为了实现高的辐射功率，SSMB的平均流强较高，约为1A大电荷量、长脉冲（百纳秒量级）注入束流的实现需要专门的设计。为了减少SSMB出光过程中的功率变化， 希望SSMB能工作在流强基本恒定不变的top-up模式。同时，top-up工作模式也可降低对单次注入束流强度的要求。

3）直线感应加速器：为了提高SSMB储存环的束流占空比，除了需要采用连续激光，对长脉冲电子束的能量补充也提出了不同于传统储存环的要求。MHz重频的直线感应加速器是实现SSMB束流能量补充的可行选择之一。

除此之外， 高精度磁铁、高精度控制系统等也需要在现有的同步辐射光源的基础上进一步发展。需要指出的是，本节论述的SSMB光源可能存在的技术挑战主要是针对短波长波段， 如EUV或软X射线， 如果目标波长为太赫兹或红外， 那么对应的SSMB光源所需技术难度会大幅降低。

到目前为止，清华大学唐传祥教授团队的进展颇为顺利，唐传祥教授在论文中明确提出他们的团队已经获得了如下进展：

……经过五年的努力， 团队在SSMB原理验证实验、SSMB的束流动力学、SSMB-EUV光源物理设计以及关键技术研发方面均取得重要进展， 给大功率EUV光源的突破提供了新的选项。

在论文最后，唐教授的评价是：

因此， SSMB-EUV光源的实现有望帮助我国EUV光刻技术实现跨越式发展。同时，SSMB加速器光源可以提供高平均功率、窄线宽的太赫兹到软 X 射线波段的相干辐射，且时间结构大范围可调，对物理、化学、能源、环境等学科的前沿基础研究与 应用基础研究，可以提供前所未有的工具和手段。

SSMB加速器光源已经引起了科学界及产业界的广泛关注。随着对SSMB储存环物理研究的深入，以及对其关键技术的掌握，SSMB加速器光源作为光刻产业光源及科学研究光源是可以预期的，其性能也必将会不断提高，造价也会逐渐降低，同时SSMB加速器光源的应用也会得到更加广泛地拓展。

综上所述，我们可以看到：中国的科研团队实际上并没有在一味地跟随追赶西方，而是在跟随的同时，也在另辟蹊径地研发下一代技术——这不是什么“弯道超车”，而是堂堂正正地直线加速超越。

甚至我觉得，国产光刻机产业极有可能在未来复刻中国新能源汽车产业的成功：比拼传统的“锡滴轰击法”光刻机，就好像比拼传统燃油车的发动机和变速箱，时间不等人，我们很难在短时间里达到欧美最先进水准。但比拼全新的SSMB光源，就好像比拼新能源汽车，大家都在一个起跑线上，我们甚至还是颇为领先的那个。

最后，衷心希望清华大学SSMB项目的研究取得圆满成功。

参考资料：稳态微聚束加速器光源Steady-state micro-bunching accelerator light source唐传祥，邓秀杰物理学报， 2022， 71(15): 152901.doi: 10.7498/aps.71.20220486

本文来自微信公众号：星海情报局 （ID：junwu2333），作者：星海老局

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