当你拿起智能手机，流畅地刷着高清视频、玩着大型游戏，或者与远在千里之外的朋友视频通话时，这一切魔幻般的体验，都源自设备核心那一块指甲盖大小的硅片——芯片。在这块小小的硅片上，集成了数百亿个晶体管，它们像是一个个微小的开关，以不可思议的速度控制着电流的通断，构成了数字世界的基石。

为了让芯片性能越来越强，我们需要在有限的空间里塞进更多的晶体管。这就意味着，每一个晶体管必须做得越来越小。如今最先进的工艺，已经能将晶体管的特征尺寸缩小到纳米级别。不妨想象一下，如果我们把一根头发丝的横截面比作一个巨大的广场，那么现在的顶尖工艺就相当于在这个广场上规划并建造出拥有数万座摩天大楼的超级城市，不仅建筑密集，而且每一条街道、每一根管线都必须精确无误。

完成这项堪称神迹的微观建设工程，需要一种处于人类精密制造金字塔尖的设备：光刻机。而在所有光刻机中，极紫外光刻机，也就是常说的EUV光刻机，无疑是皇冠上最璀璨、也最难摘取的那颗明珠。它代表了当今世界半导体制造的最高工艺水平，是延续摩尔定律、让我们的电子设备持续变强的关键所在。

用光来“雕刻”电路

光刻机的基本原理其实并不复杂，有点像我们小时候看过的幻灯片投影。

制造芯片时，工程师会先设计好复杂的电路图，做成一张母版，我们称之为“掩模版”。光刻机的任务，就是发出一束光，穿过这张掩模版，把电路图的影像投射到涂有感光材料的硅晶圆表面。被光照到的地方，感光材料的性质会发生改变，经过后续的化学处理，电路图案就会像洗照片一样显现在硅片上。

这个过程听起来简单，但当我们要“洗”出来的照片细节小到纳米级别时，一切就变了。决定光刻机分辨率，也就是决定它能画出多细线条的核心要素，是光的波长。这就像我们用笔写字，笔尖越细，能写出的字就越小。光波的波长就是那个“笔尖”。

在EUV出现之前，业界主要使用深紫外光，其波长为193纳米。工程师们想尽办法，通过在镜头和硅片之间加水等各种物理学魔术，把193纳米光源的潜力榨干到了极致。但面对7纳米、5纳米甚至更先进的工艺节点，这支“笔”实在是太粗了，根本无法描绘出如此精细的电路图案。

半导体行业急需一支更细的“笔”。经过几十年的探索，科学家们将目光锁定在了极紫外光，即EUV。它的波长只有13.5纳米，仅为上一代光源的十四分之一左右。如果说之前的光是在用毛笔写大字，那么EUV就是在用最精细的针管笔进行微雕，它让在硅片上刻画出接近原子尺度的结构成为可能。

制造世界上最狂暴的光

找到EUV这支神笔只是第一步，如何制造出这种光，才是噩梦的开始。极紫外光在自然界中并不常见，我们无法像点亮灯泡那样轻易获得它。获取EUV的过程，简直就是一场微观层面上的暴力美学。

目前最主流的EUV光源方案，听起来就像是科幻小说里的情节：我们需要用高功率激光去轰击金属锡的液滴。

想象一下，在机器内部的真空腔体中，一个发生器以每秒5万次的频率，喷射出直径只有几十微米的熔融锡滴。这滴锡刚一露头，就会被一道预脉冲激光击中，瞬间变成一个扁平的圆盘状。紧接着，一道功率极其强大的主激光脉冲精准地轰击这个锡盘，将其瞬间加热到几十万摄氏度的高温。

在这种比太阳表面还要热得多的极端条件下，金属锡被气化并电离，变成了狂暴的等离子体。就在这团等离子体迅速膨胀然后湮灭的短暂瞬间，它会释放出宝贵的13.5纳米极紫外光。

为了获得足够强的光来进行工业生产，这个“激光打锡滴”的过程，必须在一秒钟内精准无误地重复5万次，且要常年累月地稳定运行。这对激光器的功率、稳定性以及液滴控制的精度要求，简直高到了令人发指的地步。

驯服娇贵的EUV

费尽九牛二虎之力产生了极紫外光，新的麻烦接踵而至。EUV是一种非常“娇贵”的光，它的穿透力极差。空气中任何一种气体分子都会强烈地吸收它。因此，整台EUV光刻机，从光源到最后的硅片台，必须是一个巨大的、高度洁净的真空环境，容不得半点空气。

更麻烦的是，传统的玻璃透镜对EUV来说也不管用了，因为玻璃也会吸收它。这意味着我们无法像以前的光刻机那样，用透镜组来聚焦和投射光线。工程师们只能另辟蹊径，全部改用镜面反射的方式来引导光路。

这些镜子可不是普通的镜子。为了高效反射13.5纳米波长的光，镜子表面必须镀上由钼和硅交替堆叠的特殊多层膜结构，每一层的厚度都要控制在原子级别。

最考验人类制造极限的，是这些反射镜表面的平整度。为了保证光线在经过十几次反射后，依然能精准地把图案投射到硅片上，镜面的面型精度要求高得离谱。业界有一个形象的比喻：如果把这样一面EUV反射镜放大到整个地球表面那么大，那么地球上最高的山峰和最深的海沟之间的高度差，不能超过一个乒乓球的直径。这是人类目前能够制造出的最光滑的表面之一。

一台EUV光刻机，重达上百吨，包含十万多个零部件，需要数架波音747飞机才能运输，售价高达数亿美元。它集合了顶级的光学、流体力学、精密机械、材料科学和控制技术。它是人类为了延续摩尔定律，为了在微观世界里继续开疆拓土，而不惜工本打造的终极工业机器。每一次芯片工艺的迭代，都是对物理学和工程学极限的一次疯狂试探。

来源: 张天缘的科普号