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2025-10-04 0
最近北京怀柔高能同步辐射光源年底要试运行的消息引起了不小的热议,不少人盼着这会不会是破解EUV技术垄断的“钥匙”,甚至期待它能支撑传说中的“光刻厂”落地?可事实真的能如大家所愿吗?
先得说清楚,EUV光刻机的核心难点之一,就是能产生13.5纳米波长的光源,而且功率得达到500瓦以上才能满足芯片量产需求,这俩指标少一个都不行。
按这个说法,以后不用再依赖传统光刻机,想要什么波长的光,直接去对应的光束线站接收就行。
当时这消息听得人心里特别期待,毕竟芯片制造一直是大家关注的重点,要是“光刻厂”能成,确实能解决不少难题。
可这两年过去了,“光刻厂”到底有没有动静?正好最近有个和它相关的消息冒了出来,高能同步辐射光源要试运行了,这会不会就是“光刻厂”的前奏呢?
10月1日国庆节当天,央视新闻发了个好消息:北京怀柔的高能同步辐射光源,今年年底就要开启试运行了。
别小瞧这个装置,它可是目前世界上设计亮度最高的,而且还属于北京怀柔综合性国家科学中心布局的6个国家重大科技基础设施之一,分量一点儿都不轻。
看到这消息,估计不少人会跟我一样好奇:这难道就是为“光刻厂”准备的光源?
可惜的是,官方从头到尾都没提过“光刻厂”这三个字,报道里也完全没提它和芯片制造有啥关联,这就让人心里的期待多了几分不确定。
不过咱们也不用急着下结论,先看看官方说这装置到底能干嘛。
根据介绍,它主要是靠X光帮咱们观察微观世界,比如在航空航天领域,能用来研究材料的微观结构,看看航天器零件在极端环境下会不会出问题,
在能源环境领域,能分析污染物的分子组成,帮着找更高效的治理办法,在生命医药和新材料研发领域,也能解决不少卡脖子的科学难题。
而且里还展示了一个叫X射线吸收谱学线站的设备,工作人员说,像这样的光束线站,整个装置里一共设有14条。
这时候问题就来了:这14条线站里,会不会藏着“光刻厂”需要的13.5纳米EUV接收站呢?
其实从技术上来说,真要造一个13.5纳米的EUV光束线站,咱们未必做不到,但关键不在“能不能造”,而在“造了划不划算”。
要知道,“光刻厂”是用来批量生产芯片的,必须得考虑成本和效率。
现在官方明确说了,怀柔这个装置的用途是科研,不是生产,这就意味着把同步辐射光源用到芯片量产上。
目前在经济上可能还不划算,总不能为了造芯片,花比常规方法多好几倍的钱吧?
而且就算光源的问题解决了,EUV光刻机还有很多其他关键配套技术,比如精密的光学镜片、高速的晶圆传输系统这些,要是这些没跟上,光有个光源也建不成“光刻厂”,就像盖房子只备了砖头,没水泥没钢筋,照样搭不起来。
说到这儿,可能有人会好奇:同步辐射到底是个啥?为啥它能当光源用?其实原理没那么复杂,简单说就是电子有加速度的时候,不管是速度大小变了,还是运动方向变了,都会向外辐射电磁波,而电磁波其实就是咱们平时说的光。
最典型的例子就是电子同步加速器,名字里带“加速”,顾名思义就是用来给电子加速的,电子在里面加速的时候,自然就会产生同步辐射。
具体来讲,电子同步加速器会在垂直于电子运动环面的方向加一个磁场,电子在磁场产生的洛伦兹力作用下会发生偏转,开始绕着圈做圆周运动。
既然是圆周运动,电子的速度方向就一直在变,等它的速度接近光速时,就会沿着运动轨迹的切线方向辐射出电磁波。
不过这里有个问题,电子向外辐射能量后,自身的能量会降低,速度也就慢下来了。
所以对电子同步加速器来说,同步辐射其实是个“有害的副作用”,要是磁场强度不变,不及时给电子补充能量,电子的运动轨道半径就会越来越小,最后可能就没法正常加速了。
有人可能会问:要是电子做圆周运动的向心力不是磁场提供的,而是正电荷给的,比如像氢原子那样,电子绕着质子转,那电子会不会因为同步辐射,轨道越来越小,最后掉到质子上呢?答案是不会。
因为在原子那么小的尺度里,电子的轨道是“量子化”的,就像楼梯一样,电子只能在固定的“台阶”(轨道)之间跳来跳去,而且最低的那个“台阶”也不在原子核上,所以根本不用担心电子会“掉下去”。
这个理论就是著名的玻尔原子模型,也是咱们理解微观世界的重要基础。
不过科学家们很会“变废为宝”,虽然同步辐射对电子同步加速器是副作用,但既然消除不了,不如想想怎么利用它。
后来大家发现,同步辐射作为光源,优点特别多:亮度尤其高,比普通的X光机亮好几个数量级。
能覆盖的光谱范围广,从红外线到硬X射线都有,而且光的准直性好,就像激光一样能精准聚焦;还具有偏振性,能帮科研人员研究物质的微观结构。
正因为这些优势,从上世纪70年代开始,各国都开始建专门的同步辐射装置,到现在已经发展到第四代了,这四代同步辐射装置咱们中国都有。
第一代在咱们北京,是最早的一批,第二代在安徽合肥,性能比第一代提升了不少,第三代在上海,技术已经相当成熟,支撑了很多重要的科研项目;现在的第四代又回到了北京怀柔,名字叫HEPS,也就是咱们前面说的,今年年底要试运行的那个装置。
从一代到四代,能看出来咱们在同步辐射领域一直在进步,技术水平也越来越高。
但话说回来,怀柔这个第四代同步辐射光源,可能还是当不了“光刻厂”的光源,最关键的问题就是功率不够。
咱们可以对比一下,现在ASML的EUV光刻机,光源功率得达到500瓦才能满足量产需求。
而之前网上传的“光刻厂”,其实对应的是清华大学提出的SSMB同步辐射方案,那个方案能让EUV光的功率超过1千瓦,完全能满足生产要求。
可怀柔这个装置,还有其他很多同步辐射光源,功率都很难达到这么高的标准,所以就算想把它改成“光刻厂”的光源,硬件上也不支持。
所以怀柔高能同步辐射光源今年年底试运行,这是咱们在大科学装置建设上的重要进展,未来能在科研领域帮上大忙,比如研究新材料、攻克医药难题这些,确实值得咱们高兴。
但要说它能支撑“光刻厂”,目前来看还不太现实,功率不够是绕不开的坎。
而真正有可能实现“光刻厂”设想的清华大学SSMB方案,到现在也还只是个技术方案,没听说有实际的建设进展,所以“光刻厂”到底什么时候能落地,还得再等等看。
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