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光刻机为什么这么难?| 科技袁人

袁岚峰 风云之声 2023-09-22
  

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导读


高端制造业的本质就是控制误差。

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本视频发布于2022年1月17日,点赞量已达5w

精彩呈现:


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(https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8)。

责任编辑杨娜

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