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这些“细节”让中国难望顶级光刻机项背
日期:2018-04-21     作者:科技日报

  亟待攻克的核心技术①

  近年来,中国科技正带着澎湃动力向前奔跑,并逐渐进入到跟跑、并跑、领跑“三跑并存”的阶段。但我们在充满信心的同时,还应更加清醒和理性。与发达国家相比,我国不少领域关键核心技术受制于人,亟待集中力量奋力攻关。

  真正的核心技术靠化缘是要不来的。我们还有多少亟待攻克的关键核心技术,差距在哪,需要从哪些方面突破?本报从今天起,开辟“亟待攻克的核心技术”专栏,就此进行梳理、解读和评析。

  指甲盖大小的芯片,密布千万电线,纹丝不乱,需要极端精准的照相机——光刻机。光刻机精度,决定了芯片的上限。高精度光刻机产自ASML、尼康和佳能三家;顶级光刻机由ASML垄断。

  “十二五”科技成就展览上,上海微电子装备公司(SMEE)生产的中国最好的光刻机,与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米,相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。

  祖传的磨镜手艺

  光刻机跟照相机差不多,它的底片,是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机,缩微投射到底片,蚀刻掉一部分胶,露出硅面做化学处理。制造芯片,要重复几十遍这个过程。

  位于光刻机中心的镜头,由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片,得数万美元一块。

  ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。

  “同样一个镜片,不同工人去磨,光洁度相差十倍。”SMEE总经理贺荣明说,他在德国看到,抛光镜片的工人,祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

  另外,光刻机需要体积小,但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机,使用波长短的极紫外光,光学系统极复杂。

  3万个机械件都要可靠

  有顶级的镜头和光源,没极致的机械精度,也是白搭。光刻机里有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,误差在2纳米以下。两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。

  贺荣明说:“相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不能刻坏了。”

  而且,温湿度和空气压力变化会影响对焦。“机器内部温度的变化要控制在千分之五度,得有合适的冷却方法,精准的测温传感器。”贺荣明说。

  SMEE最好的光刻机,包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器,每一个都要稳定。像欧洲冠军杯决赛,任何一个人发挥失常就要输球。

  图纸不是关键

  2002年SMEE成立,是中国政府为了填补光刻机空白而立项。贺荣明去德国考察时,有工程师告诉他:“给你们全套图纸,也做不出来。”贺荣明几年后理解了这句话。

  并不是说图纸不重要,贺荣明说,如何将系统的误差分配到子系统,设计有高下之分。但顶级光刻机也需要细节上的技术洁癖。“一根光纤,一行软件编码,一个小动作,如果不兢兢业业做好,整个系统就不优秀。”贺荣明说。

  “发展光刻机,需要高素质的人群。所以我们做来做去,做最多的是培养人,改变人。”贺荣明说,这需要他们用五十年一百年的长远眼光去做事情,而不是期望几个月解决问题。

  如今SMEE每年增加数百项专利,活得很好,以中低端市场支持高端研发。而国际巨头仍在前进,发展浸没式光刻机(光在水中波长更短)、磁悬浮驱动(减少工作面震动)、反射镜代替透镜技术、真空腔体的极紫外光学系统……

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