青岚: 俄罗斯，会比中国先造出EUV光刻机？-心智观察所

【文/观察者网专栏作者 青岚】

谁能先做出EUV光刻机：俄罗斯还是中国？

看到上面这句话，你是不是已经在心里徐徐打出了一个问号？

俄罗斯、光刻机，对不少人来说，把这两个词放在一起，画风be like：

（白沙瓦手工艺客车）

是啊，在众多段子里还需要从”洗碗机和冰箱“里抠二手芯片用的俄罗斯，怎么突然快进到能造最高端的EUV光刻机了？

How Dare You?

其实这句话，是最近俄罗斯“今日头条”Dzen上一篇科技评论的标题：

《Кто раньше сделает EUV литограф: Россия или Китай?》

至于文章内容，前一半分析了目前EUV光刻机供需格局，核心信息在中国读者看来都算是大路货，后一半则是梳理了俄罗斯研究人员在EUV光源和反射镜上的积累，作者据此认为，俄罗斯可以直接跳过浸没式DUV光刻机，一步到位攻关EUV光刻机：“与中国不同的是，我们拥有成为世界第二大超现代极紫外线光刻机制造商所需的一切。”

先别笑，也先别急。

抛开关于中俄横向比较的暴论，说起光刻机，国内公众大概早已家喻户晓EUV的重要性，没有这个工具，就基本别想造出5纳米以下先进制程芯片，关注更多一些的读者，或许还知道EUV相比DUV光刻机，在“三大件”，也就是光源、投影物镜、工件台这三个关键子系统上都有巨大革新。

假如要做一个技术跨越程度排序以方便理解，那么EUV最大的变化或者说难点，无疑在于光源。

直白地说，如果EUV光刻机卡住了高端芯片制造的脖子，那么光源则卡住了EUV光刻机的脖子。而俄罗斯，恰恰在EUV光源关键核心技术上有自己的独到之处。

以下信息，往往是西方媒体和许多无脑照搬的中文互联网“传声筒”不曾告诉你的。

为了一次性讲透这个话题，有必要先普及一些光刻光源极简知识。

历史上晶圆厂使用的光刻机，其光源从g线、h线、i线超高压汞灯发展到KrF、ArF准分子激光器，波长越来越短，光子的能量越来越高，光源系统也越来越复杂，但按最通俗的理解，其实它们都可以看成是各种日光灯的“魔改”，通过电极给气体（汞蒸气、稀有气体、卤素气体）注入能量，激发介质出光。

到了EUV也就是13.5纳米波长，工业界和学术界原先自然也想沿着这个思路推进，形成了一度势头很好的放电等离子体（DPP）光刻光源研究路线。

然而初步实践表明，当时DPP所使用的氙气在13.5纳米处极紫外光转化率很差，而更理想的介质锡又极难气化，沸点高达2200多摄氏度，为此，研究人员想出了先用激光轰击锡靶产生初始等离子体的主意，使DPP进化为激光辅助放电等离子体（LDP），ASML最早向科研机构交付的EUV样机NXE3100正是采用这种光源。

遗憾的是，这条技术路线随后的迭代遇到了巨大困难，原因出在其已经打满了优化补丁的电极结构上：为了提升LDP光源输出功率，需要让一对浸入液锡池的旋转圆盘电极转得更快，有雨天骑车经验的读者不难明白，通过积水路面的速度越高，车轮甩出来的水也就越多。

无解的高速碎屑等工程问题和紧迫的商用示范压力，最终使ASML转向一条全然不同的技术路线—激光等离子体（LPP）。

LPP取代DPP/LDP，也代表着一种范式转移。

不同于各种电能直接转换光能的尝试，LPP很大程度上借鉴了惯性约束核聚变的思路，劳伦斯利弗莫尔实验室这一惯性约束剧变研究重镇，也在LPP原理研究上做出过巨大贡献。

具体来看，LPP基本思路是首先生成高能量高功率脉冲激光，以近乎完美的时空同步命中数十微米大小的锡液滴靶，注入的能量使液滴瞬间变成一团远超太阳表面温度的等离子体并辐射极紫外光，这一基本过程以每秒数万次的频率重复，释放的EUV光线经过反射镜收集聚拢，最终形成稳定的200瓦以上输出功率。

较之放电等离子体路线，LPP最大的优势在于极紫外光转化效率高，尤其是预脉冲激光优化液滴形状、密度等参数之后，其转化效率能够达到6%，且激光脉冲轰击悬空的液滴，意味着等离子体和腔室内其他组件间距离更远，热量与碎屑更容易处理。不过LPP缺点则是系统复杂度高，其驱动激光、液滴锡发生器、收集镜三大子模块之精密复杂，都称得上是人类工业文明精华。

接下来，我们就从这三个领域来盘一盘俄罗斯的“能耐”吧。

首先是驱动激光，目前ASML所引领的主流架构是MOPA（主振荡器功率放大），通过对高重频、短脉冲的优质种子光逐级放大，最终形成数十千瓦的大功率输出。

惯常能看到的信息里，德国企业通快（TRUMPF）无疑在MOPA架构上独步天下，其独家提供的EUV光刻机驱动激光器重达17吨，由45万个零部件组成，内部线束长度超过7公里，充分展现了什么叫做德国“工匠精神”。

但故事里没提的是，在这条赛道上全球仍然还有两大玩家，其一是日本光刻光源巨头Gigaphoton，另一个就是东欧激光科研重镇—俄罗斯圣彼得堡国立信息技术、机械学与光学研究型大学（圣光机），从振荡器、隔离器到放大器，圣光机在MOPA领域的基础研究依然保持着世界级水平。

再来看液滴锡发生器，由于其制造商Cymer位于美国本土，因此天然站在了形象塑造与传播的“高地”。关于ASML的热门新书《聚焦》里，Cymer有着不成比例的“出镜率”，被写成了令EUV光刻机走向成功的最关键拼图。但实际上，ASML对Cymer的关注更多是为了解决后者糟糕的项目管理，液滴锡发生器实用化也并非Cymer一家的功劳，而是ASML所动员的一个巨大科研网络中知识汇聚流动的成果。如久负盛名的俄罗斯科学院光谱学研究所（ISAN）就与ASML有长期合作，在锡液滴发生器、预脉冲技术、光源污染防护上承接了大量该公司横向课题，时至今日，ISAN及其衍生的商业公司在EUV检测光源产品和等离子体建模上仍有相当强竞争力，与英特尔、台积电等厂商也依旧保持着联系。

特别值得一提的是，ISAN研究人员对原本作为一种碎屑缓解手段出现的预脉冲技术进行了深入研究。基于该所等离子体物理的理论与数据积累，再结合俄罗斯数学家为高温激光等离子体研究所开发的RALEF仿真软件，使锡液滴形貌和预脉冲/主脉冲作用有了可靠的研究模型，其后ASML和Gigaphoton也正是靠着循序迭代脉冲激光参数和液滴靶形、时空控制，实现了极紫外光转化效率的飞跃。

最后来聊聊收集镜，这个形如一口炒锅的凹面镜原理一目了然，是用来聚拢EUV光，而其技术难点则在于，绝大部分物质对这个波段电磁波都存在强吸收作用，因此需要制备特殊的多层膜镜子，才能实现足够高反射率。

以目前实用化的多层钼硅镀膜为例，每层膜的厚度大概只有3-5个纳米，在大尺寸基底上镀膜误差要控制在单个原子量级，交替镀上数十层才能满足技术要求，其工艺难度可想而知。

在流行叙事里，EUV收集镜和采用同样技术的反射式物镜只有德国蔡司能够制造，这同样是一个明显的偏见，在欧洲多层膜科研领域，俄罗斯科学院微结构物理研究所（IPM）就堪称支柱力量，ASML早期EUV研究中，IPM为其提供了多种关键光学器件。

（IPM为ASML制造的部分光学元件）

相比起光刻光源和前面提到的反射式物镜系统，工件台是俄罗斯较为薄弱的领域，但位于白俄罗斯的东欧最大半导体设备公司Planar则有望提供支持，该公司总经理就曾表示，由于内部配套完整，其光刻设备对西方国家的依赖并不严重，甚至有些技术在全球处于领先地位：“一个例子是灵敏度高达0.6–0.15nm的干涉式线性位移传感器，除了我们之外，只有一家美国公司生产这种传感器，而且并不向所有国家供应”。

从以上梳理不难看出，俄罗斯在EUV光刻光源核心技术上，的确已经拥有了一定基础，相关科研机构在ASML所动员起来的泛欧EUV攻关网络中有着长期而深入的参与。

当然不可否认，其各项技术产业化水平还不高，更多停留在基础研究和样件试制阶段，在做出自主研发EUV光刻机的决策后，把理论落实到工程无疑还有很长的路要走，不过俄罗斯的努力，依然值得我们密切关注与借鉴。

对于高端光刻机攻关，不少人抱有着一种朴素的信念：既然ASML已经为我们证明了LPP-EUV技术路线走得通，就好像一道别人已经解出来的难题，作为亦步亦趋的后来者只要资源投入足够多，再复杂的工程问题也总能解决。

这样的想法，确实在大部分情况下都是成立的，看看发达国家工业“皇冠”上越来越稀少的“明珠”，学习消化再创新的效果毋庸置疑。但与此同时，集成电路、工业软件、量测仪器等领域存在的“卡脖子”现象足以提醒我们，某些对于基础理论积累要求很高的环节，“理论不够工程来凑”也有局限性，原理理解不充分的情况下，工程成本、进度乃至最终结果将面临巨大不确定性。

反观俄罗斯，依托其在高能激光、等离子体物理基础研究上的积累，该国在EUV（软X射线）光刻机研发上选择了一条颇具特色和“章法”的新路。

根据目前所能获得的信息，莫斯科国立电子技术大学（MIET）将承担所谓的“基于同步加速器和/或等离子体源无掩模X射线光刻机”研发任务。

或许你会感到奇怪，为什么一家大学能够成为“国之重器”的项目抓总单位？

原因其实并不复杂，MIET长期扎根在号称苏联硅谷的泽列诺格勒科学城，早已成为当地微电子产学研用生态的核心枢纽，其创建的公共科研平台“集体使用中心”，号称可服务电子元件和ICT产品从创意到上市的完整周期。

顺带一提，早在2010年代，无掩模光刻独角兽荷兰Mapper公司就已经通过其股东Rusnano牵线，向泽列诺格勒转移了无掩膜光刻机核心部件—MEMS可编程微镜阵列的制造技术。尽管2019年Mapper被ASML抢先收购，但完全可以想见，相关专有知识已经在俄罗斯完成了吸收消化。

至于光刻光源，ISAN和IPM则提出了不同的备选方案，前者基于其LPP-EUV技术积累，自然想走ASML的“王道”路线，而IPM则基于对多层膜技术的创新，正积极推动11.2纳米技术方案（钌铍多层镜+氙气工质），在该所专家看来，尽管氙源的极紫外光转化效率不高，光源输出功率天然受限，但由于从物镜到光源的系统复杂度极大下降，光刻设备采购维护成本都会很低，因此仍极具实用价值。

从技术思路上来评价，采用无掩膜光刻，意味着物镜系统可以得到很大简化，EUV光反射次数更少，损耗自然更小，连带着对光源输出功率的要求也可以放宽，因此无论选择锡源的传统方案还是氙源创新方案，至少ASML在提升光源功率和可维护性上耗费的天量资金、十余年时间以及积累的大量独家knowhow有希望被绕开。

单凭这一条，是不是已经足够有搏一搏的价值了？

透过EUV光刻机这个案例，也不难体会当下我们舆论场上的一种怪现象，那就是很多科技问题的讨论虽然观点各异，但双方基于的基础信息往往源头都来自欧美特定媒体，在这个并不中立的信息“哈哈镜”里，俄罗斯科技实力显然被过度贬低了，以至于一种"不靠谱"的刻板印象大行其道。

除了在英语世界中被有意无意妖魔化、边缘化的形象，另一方面，俄罗斯科学界也长期流行着内向作风。

一份2019年的研究报告显示，俄罗斯科研工作者在国内期刊上发表论文的比例远高于主要科技强国平均水平，对“SCI至上”的理念似乎无动于衷，乃至于“尽管俄罗斯研究人员撰写英文论文，但他们似乎经常将论文发表在俄罗斯的地方性出版物，而不是国际期刊上”。

当然，俄罗斯这种相对孤立的科研现状，归根结底还是因为缺少能够将研究成果大量转化的实体产业，由于人口与区位禀赋等种种原因，俄罗斯面向国际市场的大规模制造业始终没有得到很好发展，因此迟迟未能形成从研究到市场的顺畅循环。

不过尽管如此，除了EUV光刻机几大关键核心技术，俄罗斯在更广泛的激光产业、航空航天、新材料、工业软件上，仍然还有不少具备世界级水平的好东西，其中相当部分正处于当下中国产业界着力突围的“卡脖子”环节。

就拿CAD/CFD/EDA等设计仿真验证类软件来说吧，这类工业软件目前普遍被海外巨头高度垄断，国内企业面临的竞争格局甚至比半导体产业还要严峻。而在这一领域，凭借着深厚的数学传统和人才储备，俄罗斯早已成为全球产业生态的重要节点之一。俄罗斯LEDAS公司的几何约束求解引擎早被达索公司采用，将之整合在CATIA V5中。至于收购俄罗斯研究团队或者在俄罗斯设立研发中心，更是几乎所有欧美工业软件巨头的基本操作。

（Mentor(后西门子EDA)的MAD部门就有着浓厚的俄罗斯血统）

相比之下，我国科技界、产业界对俄罗斯的认识，似乎还普遍有所滞后，以至于在一篇分析中俄科技创新合作风险挑战的权威文章中，作者忧心地指出：“俄罗斯在基础研究、核能技术、空间科学技术、新材料、生物技术等众多领域拥有雄厚实力并取得了令人瞩目的成绩，但我国某些产业界，甚至科技界本身对俄罗斯科技水平都缺乏足够认识和应有评价，存在贬低俄罗斯科技实力而盲目推崇西方的倾向，在寻求科技合作伙伴时，往往优先考虑美、欧、日，对俄罗斯却不予重视，常常多方寻觅无果后才把目光转向俄罗斯，贻误了合作时机”。

值得注意的是，随着俄乌冲突爆发，俄罗斯科技界正常的国际交流活动遭到了全面围堵打压，从奥数竞赛到学术会议，“将俄罗斯科学与国际合作隔离的企图将反映在所有指标中”，当数百名俄罗斯科学家被从欧洲核子研究中心（CERN）驱逐，标志着这种歇斯底里的恶意达到了顶点。

但也正是在这种刺激下，俄罗斯科学研究与高技术产业发展，似乎正焕发出新的气象，或者说，重新唤起一种斯拉夫民族的坚强韧性。在工业母机、关键软件等领域，俄罗斯国产替代工作业已全面铺开。

EUV光刻机，正是这一浪潮的小小缩影。

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