光刻机的核心技术之一：光学

光刻机，是芯片制造中最重要最关键的仪器，目前的光刻机技术只有荷兰、日本两个国家掌握了相关技术。更甚者目前只有荷兰的ASML公司掌握了完整光刻机的制造和组装,并且西方国家的相关技术严格对中国封锁。在2018年，中芯国际向ASML公司订购了一台EUV光刻机，目前这台光刻机仍然没有交付。早在2015年，芯片行业的进口消耗外汇储备就已成为最多的行业，而石油进口排名第二。打开ASML的官网，我们可以看到这样的宣传画以及光刻机整机图片。

位于武汉的中芯国际被认为是除中国台湾的台湾积体电路公司（台积电）外中国的芯片制造领头羊，但是出于政治原因，美国将中芯国际列为制裁的实体清单，严格禁止ASML公司将更先进的EUV（极紫外）光刻机销售给中芯国际，目前中芯国际能够生产的最小制程仅为14nm，与台积电公司能够生产的5nm芯片之间有超过两代的差距，制程上的落后不仅影响了芯片的整体功耗，更小的制程更是决定了在同样大小的硅基上能够刻上更多的晶体管电路和寄存器等零部件，能够实现更低的发热量、更高的性能和功耗比。

目前我国的国产光刻机只有上海微电子能够生产，能够量产的型号为SSA/B/C600系列，能够制造90nm以下的芯片，想要实现14nm甚至是5nm芯片的制造还有很长的路要走。

为什么我国的拥有世界上最强的工业体系，但是目前仍然不能制造出能够比肩ASML公司生产的光刻机呢？原因就是目前最好的光刻机看似是由荷兰的ASML一家公司生产的，但是光刻机中的技术并不是全部属于ASML，这些技术是集合了全球约120个国家在20多年间的核心技术储备，我们是以一国之力面对120多个国家的技术封锁，如光刻机的核心技术之一：光学。

光刻机，顾名思义，就是利用光在硅基上刻画出事先设计好的电路形状，整个芯片的复杂度不亚于世界上任何一个城市的复杂度，以华为海思的麒麟9000为例，麒麟9000芯片的面积约为100平方毫米，里面集成了包括CPU、GPU和通信基带等关键的器件共计153亿个晶体管。想要制造出如此复杂的芯片，首先使用的技术学科就是光学，在光学中，根据衍射现象，一个点在经过孔径的衍射后，在成像平面上并不是一个点，而是一个亮斑，这个亮斑称为艾里斑。当两个点经过衍射后，在成像平面上得到两个亮斑，当两个亮斑之间的距离太近甚至是发生交叠，我们就不能分辨出两个亮斑，会将两个亮斑认为是一个。

根据瑞利判据，我们能够分辨出的最小精细结构与光的波长有关，即：

λ即为光的波长，D为衍射系统的孔径，Δθ为两个艾里斑圆心与成像系统的夹角。因此，如果想要缩小晶体管之间的距离，就有两种方法，一是缩小光刻模板与硅基之间的距离，目前两者的距离已经在微米的量级，已经不能再进一步缩小；二是缩小光刻机的工作波长，目前ASML公司生产的EUV光刻机所用波长为13.5nm，台积电公司使用这种光刻机为华为的麒麟9000和苹果的A14代工生产出了5nm制程的芯片。

因此，如何产生波长如此短的光是很大的技术难题，在DUV(深紫外)波段，使用的波长通常为193nm的紫外光，这种波长的光的技术已经成熟了，制造起来技术难度也相应降低。但是这个波长的光也限制了芯片的制程。因此人类就要想办法制造出波长更小的光源，科学家们最终通过光照射液态锡的方法成功产生了波长为13.5nm的极紫外光。在ASML的宣传片中我们可以看到，产生这种波长的光需要利用波长为193nm的深紫外光两次照射在空中的液态锡，第一次的目的是将液态锡打开，从而获得更大的面积，获得更大的光强，第二次就是将极紫外光激发出来。激发出来的光要经过多面反射镜的反射和投射镜的整形、过滤等。提到光学镜，就要提到德国的蔡司公司，蔡司公司为ASML的光刻机生产了世界上最为平滑的反射镜，因为在超过误差的平整度后，光就会反射出谐振腔，最终的光强不能到达光刻的要求。除此之外，由于13.5nm是非常小的波长，这样的光在空气中都会被吸收，更不用说光学材料，因此在光刻机的制造过程中，如何减少光的损耗、提高光强至关重要。

说完了ASML公司，回到我们自己，目前我们的国产光刻机的消息不多，按照我们比较低调的作风，在光刻机领域，我们必将是不鸣则已，一鸣惊人。但是我们也需要用辩证的思维看待，光刻机技术被誉为工业界的掌上明珠，外国几十年的发展不是我们能够弯道超车的；我们也不用妄自菲薄，凭借中国人坚韧不拔的品质，光刻机在不远的将来一定会掌握在中国人自己的手里。