光刻机为什么这么难？| 科技袁人

2022-04-21 22:06:47

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高端制造业的本质就是控制误差。

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光刻机为什么这么难？最近我看到一篇有趣的文章，标题就是这个问题，作者是“道典日记”，言简意赅地说清了关键。

这个关键就是：误差。比如说现在要造一根钢棍，长度为10.003厘米。我来注释一下，这种表示方法的意思是误差在最后一位数，即10.003加减0.001厘米。那么怎么造呢？

首先，我们需要一把很准的尺子，在钢筋上精确地标出10.003厘米。然后，我们需要一把很准的锉刀，精确地移动到10.003厘米的地方。然后，要开始矬了。请问，你能确保手不抖吗？

所以大家可以理解了吧，高端制造业的本质就是控制误差。人类从最早的能掌握1毫米的尺度，到0.1毫米，到0.01毫米，到现在的1纳米即10的-9次方米，一路向下，越来越精确。

精度每向下走一个数量级，就需要把所有的设备全部换掉。为什么？因为整体的误差是由误差最大的那一个环节决定的。如果有几十道加工手续，其他所有的都做到了纳米级，但只有一个误差是0.1毫米，那么整个系统的误差就是0.1毫米，其他的做得再精确也没用。必须把所有的工序都控制在纳米级甚至更低，才能让整体的误差处在纳米级。

现在大家明白光刻机为什么这么难了吧？光刻机是纳米级的精度，代表着全人类最先进的工艺。要构建一台光刻机，难的不是任何一个环节，而是整台机器、所有零件、所有环节，全部都要达到纳米级精度。

举个例子，如何让仪器移动1纳米？肯定不能靠机械移动，因为机械移动的精度是很低的。目前微小尺度的移动，主要依靠液压传动。但到了纳米尺度，液压传动都变得很不容易。因为液体是可以压缩的，而且在不同的温度、不同的压力环境下，液体的压缩比会有轻微的不同。在宏观尺度下这点误差可以忽略不计，在纳米尺度下就变得非常重要了。即使你完全清楚了液体在各种状态下的压缩比，液体纯度的轻微不同也会导致误差。

然而更令人哭笑不得的是，有作者的工程师朋友指出，目前中国的液压体系做得不好的原因，还根本没到压缩比呢，而是因为密封性不好。液体总是有泄露的，尤其在高压之下，而中国的橡胶还做得很不好。因此光这个推进系统的精度提升，就是一个很大的课题，需要天才工程师十几年的苦工。

另一个普通人不知道的误差来源，是重力校正。因为各个地方的重力加速度是不一样的，这点差异在宏观尺度觉察不到，但在纳米尺度就有影响了。机械手表的核心技术之一是陀飞轮，陀飞轮是干什么的？它就是校正重力对钟表造成的误差的机构。

因此，光刻机是什么？光刻机其实是一整套完整的纳米工业。光刻机的产出是纳米级的芯片，但在它背后，动力系统、测量系统、避震系统、密封系统、液压光镜材料，每一样都需要纳米精度。好比为了吃个培根，你得造整个养猪场。

这篇文章在讲了这些让心浮气躁者清醒的内容后，还从另一面讲了精度提升的好处。

歼-8的雷达只能看100公里，而歼-20的雷达就能看300公里。为什么近年来中国的军力突飞猛进？不是因为堆积数量，而是因为改革开放以后尤其是加入WTO之后，中国制造的精度上来了。

如果能达到超细微的分辨率，雷达就可以看400公里。精密贴缝之后，潜艇就可以静音。精度越高，武器越强，直至代差。

光刻机意味着纳米工业，它是人类目前科技的巅峰，是无数高精尖技术进化的结果。光刻机是一个体系完整、瓜熟蒂落的结果，短期之内急是急不出纳米工业体系的。

将来如果我们掌握了纳米工业体系，我们就能造出更多让举世震惊的东西，宛如神迹。

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作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（http://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
责任编辑：杨娜

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