荷兰人说:图纸给我们也造不出光刻机!难道它比原子弹更难制造?



日常生活中常听到有人在讨论:“原子弹和光刻机,到底哪个更难造”,有人认为二者没有任何的可比性,因为造原子弹我们是从一穷二白慢慢起步创新的,是一个从0到1的过程,如同万丈高楼平地起;而造光刻机则不同,它已经有一定的基础,是一个从1到2的过程,需要从精尖到高精尖不懈努力。

而大多数人则认为造光刻机更难,因为目前全世界能造出高精端光刻机的国家只有荷兰和日本,而全球能造原子弹的国家却有8个。也就是说,现在的光刻机比原子弹更稀有,其需要突破的技术难点比原子弹更多,以至于荷兰有人称:就算把图纸给我们也造不出光刻机。荷兰人这嚣张的说法有没有依据,造光刻机究竟有多难呢?
造原子弹面临的难题
众所周知,原子弹是一种大型杀伤性的核武器,其主要的核原料为铀235或钚239,就是铀原子在受到中子的强大冲击后,会分裂成2-3个原子,并且还会额外释放出3-4个中子,而这些中子又会去冲击别的铀原子,以此循环反复。

虽然听着这个原理似乎很简单,但是造原子弹也并非是一件简单的事,需要耗费的人力、物力、财力和面临的难题是不可想象。那造原子弹要面临的难题有哪些呢?
造成原子弹的核原料非常难获取
上文也提到了造原子弹离不开铀或钚,但是这两种矿藏的分布是非常不均匀的,就以铀元素来说,虽然它在地壳中的分布比较广泛,但是由于铀矿床的分布很有限,目前主要集中分布在美国、加拿大、南非、澳大利亚等部分地区。
这就意味着,如果要发展原子弹,就必须解决核原料的获取问题,而国际相关组织对核原料的进出口量和使用量都有严格的查控,这也就造成了核原料的获取十分困难。

再加上提取铀的难度是非常大,就以我国造的第一颗原子弹为例来说,当时为了寻找铀矿,我国曾让国内很多地质勘探队在全国各地的深山老林中日复一日、年复一年的探寻铀矿,最终经过不懈努力,在我国的华中地区探测到了铀矿。
随后,为了能尽快提取和开采出铀矿,我国出动了将近10万多人的队伍向华中出发,其中有工程师、技术人员、工人等,最终,克服了重重困难,我国终于提取出了2块铀坯,而从勘探到提取铀坯,我国将近用了10年的时间,足见获取的难度有多大。
造原子弹所需的核燃料提纯浓度要求很高
就算能够顺利获取了造原子弹所需的核原料,但是想要将它提炼成能够造原子弹的理想核燃料(一般提纯浓度要达到93%以上)还是非常困难的,而且目前这种技术基本掌握在大国手中。
同时,现在的提纯浓度技术主要以离心法为主,即将六氟化铀注入离心机中,然后通过高速运转,不断将同位素进行分类,最终才能提纯到溶度很高的铀235。

听着这个工作原理并不复杂,但是关键的难题是离心机也属于国际管控比较严的产品,再加上如果要研制原子弹,需要数万台离心机同时运行,其产生的声响、耗电量等都是惊人的。
必须要遵守核不扩散公约
原子弹作为核武器之一,其杀伤危害性不言而喻。因此,从1959年开始,联合国就针对核武器研制问题,先后提出了议案,并颁布了《防止核武器扩散》的相关条约。
条约中明确说明,在1967年1月1日之前,已经研制成功核武器的国家,可以允许保留,这些国家有美国、苏联、英国、法国、中国,而其余国家必须准守国际公约,往后禁止研发核武器。

当然,造原子弹除了以上这些难题以外,其涉及的问题还很多,比如,拥有技术和知识储备的高端科技人才、巨大的研究成本、合适的核试验场地等等。也就是说,一个国家没有点家底和实力是根本无法实现的事情,况且这还是违反国际公约的行为。
对比造原子弹,造光刻机究竟有多难?
综上所述,造原子弹的难度确实非常高,那如果造一台尖端光刻机,又有哪些难题呢?首先,我们先来了解下什么是光刻机?而讲到光刻机就必然会提到芯片,而芯片在日常生活中的广泛应用自不必说,比如,电脑、电视、手机等都有芯片的影子。

而光刻机(又名掩模对准曝光机)正是生产大规模集成电路和制造芯片的核心设备,它通过光线的曝光把精细的图形印制在硅片上。这个过程的精确度不是肉眼可以衡量的,而是纳米级别甚至是更高的精确度。也正是因为如此高精准的难度,所以,尖端的光刻机也被称为“现代光学工业之花”。那制造光刻机的难题主要有哪些呢?
光源难题
光刻机,顾名思义就是利用光为媒介来刻画和加工微纳米级的图形,也就是说,光源就是光刻机运行的关键问题之一。而目前,全世界最顶端的光刻机是来自于荷兰ASML公司的极紫外光刻机(简称EUV)它能够实现对13纳米左右的线条进行加工,这是什么概念?举个例子,人类的头发丝直径约为50-70微米之间,而EUV光刻机可以刻画出只有头发丝直径的五千分之一的线条。

是不是听着都觉得不可思议,但是值得一提的是,这个EVU光刻机的光源,即极紫外光的制造并不是荷兰研发的,而是源自于美国的Cymer公司,而且这个极紫外光的光源制造难度非常大,需要将锡融化成液态后,让它变成像雨滴一样的形状滴落下来,然后用激光击打滴落的锡珠,使其转化成等离子状态,最后才能释放出极紫外光。
而荷兰ASML公司也是用了大概20年左右的时间才把这种极紫外光应用于光刻机,可想而知,它的研制难度有多高。
反射镜难题
光刻机的反射镜主要是用来调整和聚集光路的,普通的光刻机物镜采用的是透镜,而顶尖的光刻机物镜采用的是反射镜。区别就在于反射镜可以把模板上的电路图进行等比缩小,使其能在硅片上呈现,这也是芯片制造的核心所在。

而目前荷兰ASML公司的EVU光刻机所采用的镜头的就是德国的蔡司镜头,其每一个镜头的精准度都极高,高到什么程度?举个例子,假如要制作的镜面跟德国国土面积差不多大,那么其镜头的凹凸误差率不能超过头发丝的大小。
所以,对于尖端光刻机而来,反射镜的制造是一项非常关键的技术难题。
工作台移动精准度难题
光刻机的工作台主要是用来控制芯片制造和生产中的纹路刻画,也就是工作台移动的精准度越高,芯片刻画的精确度就越高。就拿荷兰ASML公司的EVU光刻机为例来说,它们目前采用的是一种高精度的激光干涉仪,通过在一个闭环的控制系统中,实现纳米级的超精准同步位移。

但是这个工作台移动精准度的难题在于它并不只对准一次,因为芯片的制作过程需要进行无数次的对准和曝光,而要在纳米级别的尺寸间实现多次快速移动,这难度也就不言而喻了。即使是目前科技实力十分强大的美国,目前也无法完全实现光刻机工作台的精确度和时间效率的最优化。
极度耗电的难题
光刻机除了面对内在技术难题以外,其外在耗电问题也是目前攻克的难题。因为要保证光刻机在工作过程中输出的光线稳定且高效地刻画在芯片上,就势必对光刻机的耗电要求极高。
就拿荷兰ASML公司的EVU光刻机为例来说,其设备开始运行后,基本每小时就需要耗费至少150度的电力,可谓是非常费电了。所以,如何解决这种极度耗电的问题,也就成了光刻机制造的难题之一。

当然,除了以上这些问题以外,光刻机的面临的难题还非常多,其中最致命的难题之一就是研制光刻机的成本非常昂贵,因为就算目前全球最顶尖的EVU光刻机,其就由8万多个零部件组成,而且其中90%都是从全世界国家进口提供的。
也就是说,目前全球没有任何一个国家可以完全依靠自己完成光刻机的制造。所以,如果单从技术和精确度等方面来分析,似乎造光刻机会比造原子弹会更难。
我国光刻机目前的发展现状
既然造光刻机的难度如此之高,全球目前也只有荷兰和日本两个国家能造出高尖端的光刻机。那么我国制造光刻机的水平处于什么阶段?目前我国光刻机的发展现状是怎样的?
在文章开头提到,荷兰有人称:就算把光刻机的图纸给我们,我们也造不出来。这实在是大言不惭,因为目前我国上海微电子就是制造国产光刻机的企业,而且在2018年3月的时候,我国上海微电子研制的90纳米光刻机项目已经验收成功,也就是说,国产光刻机已经实现了在90纳米尺寸的刻画。

同时,据相关媒体透露,上海微电子有望在2022年实现28纳米国产光刻机。虽然目前还不知道何时可以验收成功,但是,以我国的综合实力,要实现这个目标只是时间问题而已。
当然,我们也不得不承认,目前我国的光刻机技术离世界先进水平还有很大的差距。特别是跟光刻机息息相关的芯片制造,在全球性芯片短缺的情况下,我国又一直面临被美国卡脖子的困境,这无疑给我国研制光刻机增加了难度。

据相关专家预测,原本以我国的实力和技术,要研制出尖端的光刻机至少需要20-30年的时间,但由于美国对我国部分零件的封锁,可能需要更长的时间才能实现。
但是,近些年我国的光刻机技术取得的成就是有目共睹的,因此,我们也相信我国的光刻机未来可期!对此,你怎么看?


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