把光刻机做成“光刻厂”，国产方案的脑洞究竟有多大？

光刻机行业，正发生着微妙改变。

距离华为Mate 60 pro突然开售已经过去半个月，线上预订的粉丝们最近都陆续收到了新机。

但由于华为官方一直没有召开手机发布会，因此这款手机上依然有非常多的谜团等待解开。

就例如，这颗突然“空降”的麒麟9000s处理器，究竟算不算5G芯片？华为又是如何在重重封锁下，“手搓”这颗纯国产芯片呢？

在这里，我们就不对华为背后的技术和进行过多揣测，但可以肯定的是，国产光刻机技术在近期有不小的突破。

巧的是，就在最近，一项来自清华大学的光刻机技术在网络上火了起来，简单来说，就是把光刻机做得足够大，就能生产出EUV光刻机需要的光源。

这样的脑洞，不仅路人们听上去玄乎，就连不少技术人员也表示了惊叹。

一时间，网上的解读和质疑声也是层出不穷。

什么是SSMB

这项由清华大学提出的技术，专业术语名叫“稳态微聚束”（steady-state micro-bunching），简称SSMB，是一种新型的粒子加速器光源。

最早由清华大学杰出访问教授赵午教授与其博士生于2010年提出，并在2017年，与清华大学工程物理系教授唐传祥合作，共同发起理论实验。

在2022年的中国物理学会秋季学术会议上，研究组成员潘志龙提到了由SSMB技术造出来的光刻机，叫作“SSMB-EUV”光刻机，而这也正是最近讨论的话题的来源。

图源 |寇享学术

SSMB背后涉及的原理非常复杂，笔者并不能完全解释，所以这里就结合几位科普博主的讲解视频，简单进行一点概括。

首先，光刻机的原理，是利用光刻机发出的光源，通过设定好图形的光罩，对涂有光刻机的硅板进行曝光，从而“刻”出电子线路图，再进行一些后期加工，最终形成芯片的雏形。

如果光源的波长越短、功率越大，这样的“光刀”就更加锋利，“雕刻”出来的电子线路图也就更加精密，芯片的性能与算力也就越强。目前，波长仅为13.5nm的极紫外光（EUV），是高端芯片的唯一选择。

从电磁波谱上看，EUV已经非常接近X-射线，这么高的能量，单靠物理操作很难实现。

ASML采用的是LPP模式，通过一台功率大于20 kW的CO2气体激光器轰击液态锡，形成等离子体，从而产生极紫外光。

图 |LPP-EUV

在找到EUV光源解决方案后，加上多年以来的光刻技术，ASML做出业内最顶尖的EUV光刻机，最终垄断了整个市场。

值得一提的是，为ASML提供EUV技术的是美国公司Cymer，这是全球唯一能够提供商用EUV光源的公司，国内自然无法从外部解决光源问题。

不过，实现EUV光源的方案不止一种，清华大学团队想到了用加速器加速电子，从而产生高功率的辐射。

简单来说，电子只要加速运动，就会发射电磁波，理论上只要加速度够快，那么必然出现符合EUV波长的“光子”。

但光有一个“光子”还不够，想做光刻机需要稳定的“光束”。

研究人员发现，当电子束绕过加速器后，受到磁场的作用，会形成精细的微结构，这种就是“微聚束”。

图源 | 《自然》杂志

再让这些微聚束穿入激光阵列，通过激光与电子的相互作用，形成有一定间隔，相对聚集的排列，就这样，微聚束被“稳态”地保持了。

就这样，稳态微聚束呈现出极紫外光的高功率与短波长，算得上一种全新的EUV光源解决思路。

光刻机做成“光刻厂”，靠不靠谱？

解释完SSMB技术，光刻厂又是怎么一回事？

在网上，有人把“SSMB-EUV”光刻机称作光刻工厂，甚至给出了工厂所在的地河北雄安新区，并贴出了相关图片（注：网传图片为高能同步辐射光源项目，并非SSMB设施）。

据悉，除了3nm工艺外，4nm、7nm、14nm、28nm，但凡你听说过的芯片制程工艺，都能在这个光刻工厂里解决。

图源 | 微博

为了更好地理解，有人形象地将光刻工厂比喻成篮球架——如果说以前最中心的篮筐里（3nm）难度很大，那么就多加几个篮筐（其他工艺），只要投篮次数够多，总能投到最中心篮筐，而投不进的话，掉到其他篮筐里也能得分。

从原理上来说，光刻工厂和SSMB技术确实有很大的关联性，都是利用电子束加速产生电磁波，从而得到对应的波长。由于粒子加速器体积大（加速器周长100-150米），同时需要很多配套设施，因此占地规模大也非常正常。

当然，方案可行，实施起来并没有那么容易。

首先，从官方新闻稿看，这次在雄安新区落地的SSMB-EUV光源设施项目更接近科研用途，而不是实际生产。

从研发进程来看，SSMB-EUV技术在2021年在《Nature》杂志上正式刊登，通过原理验证实验，想在短时间内跨过下一步验证，走向商用，还要一定时间。

其实，不论是光刻机还是光刻工厂，光源只是光刻机中的关键设备之一，其他配套设备同样不可或缺。

作为一种全新的方案，其他国产替代设备是否适配SSMB-EUV技术，还是一个未知数。

最后，就是不少人提到的能源消耗和使用成本高的问题，虽然后续可以通过建造多条生产线将成本摊薄，但这就需要极强的规划能力和长期运营能力。

总之，方案有了，思路有了，光刻工厂值得期待，但距离实际生产还有一段距离。

国产光刻机，奋力追赶

如今时隔三年，SSMB技术再次引起讨论，足以看出国人对国产光刻机的期待。除此以外，国内还有其他出色的EUV光源方案，例如位于大湾区的广智院，就提出了改进型的LPP模式，通过绕开二氧化碳激光器这个部件，产生出极紫外光。

但从理论走向实物，依然要走漫长的道路，只有产业链上下游的配合，才能真正实现光刻机的突破。除了光源这一环节以外，光刻机上下游还有非常多的环节，很多都避免不了来自外界的压力。

另一方面，行业巨头ASML也在时刻注视着国产光刻机的动向。

此前，日本厂商就在与ASML光刻机的竞争中败下阵来，最终失去了先进制程领域。在ASML的背后，有着欧美的鼎力支持，这与目前中美竞争形势非常类似。

有意思的是，ASML更像是一个看重利益的商人，即使顶着制裁的风险，但ASML依然暗中示好中国市场。

随着国产光刻机奋力追赶，ASML的EUV方案迟早被赶上，光刻机行业或许会发生一些微妙的改变。

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