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2022年初，英特尔公司从阿斯麦尔（ASML）公司订购了1台最新的光刻机（图1-6），价格达19亿元人民币。这台光刻机的大小只跟1辆中巴车相当，但为什么价格却相当于3架波音737客机？
● 图1-6 阿斯麦尔的极紫外光刻机
在回答这个问题之前，我们要先对芯片有一些了解。芯片，也叫集成电路，每台电脑和每部手机里都有多个负责运算和存储数据的芯片。芯片是一块指甲盖大小的硅片，上面集成了上亿个晶体管等电子元件，在很小的面积、极低的能耗下蕴藏着强大的运算能力或较大存储空间。（关于芯片的详细知识，参阅本辑的《手机的“瘦身”秘籍是什么》）。芯片自20世纪70年代问世以来，大体遵循摩尔定律，即芯片的晶体管数量每18~24个月翻一番。这对芯片的集成度要求越来越高，几乎每两年芯片最小线宽都要缩小40%。
从芯片设计版图到实现硅片的图案转移都依赖光刻工艺。光刻的原理和晒太阳类似：阳光中的紫外线会让裸露的皮肤颜色变深，而被遮挡的皮肤会保持相对浅的颜色。例如，戴口罩在阳光下停留过久，就会在脸上留下复现口罩图形的浅色区域。在光刻工艺中利用类似的原理，把电路图纸做成掩模版，然后经过曝光，就可以把设计图案转印到硅片上。
虽然光刻的原理很简单，但在工程上实现却异常复杂，这是芯片制造流程中难度最大的步骤。典型的芯片制造流程涉及20~30次光刻工艺，占总制造成本的1/3。光刻机经历了五次迭代，每一次换代的标志是光源的革新。这是因为芯片上晶体管集成度是由最小特征节点尺寸决定并与波长成正比的。也就是说，缩短光源波长是满足摩尔定律、提高芯片集成度最直接的驱动力。
光刻机光源在五次迭代中，波长不断缩短。波长从第一代的436nm（紫外）缩短到第四代的193nm（深紫外）。第五代则是革命性的，波长直接缩短到13.5nm（极紫外光源）。极紫外光源是基于激光产生的等离子，原理如图1-7所示：高能脉冲激光辐照在微小的锡液滴靶上，瞬间气化成液态金属，产生电子温度约4万℃的锡离子，其中的光谱富含13.5nm附近的极紫外波段。收集反射镜系统收集极紫外光，汇聚在中继焦点上。所以，极紫外光源的产生本质上是激光打靶的过程，充满了技术挑战。首先，靶球的飞行速度超过300km/h。其次，靶球直径仅为30μm，相当于一根头发丝直径的1/3。最后，这样的打靶过程每秒钟要重复5万次，并且保持24h连续运转。有了波长为13.5nm的极紫外光源，还需要成像组件、机械运动组件等都达到相应的纳米级精度。可见，光刻机在各个方面都在挑战人类科学和工程极限，由此成为制造芯片过程中科技含量最高的设备，集合了光学、精密仪器、流体力学、高分子、工业软件等多学科前沿技术，是半导体工业皇冠上的明珠。
● 图1-7 极紫外光源工作原理
我国目前还没有掌握极紫外光源等核心技术，在高端芯片制造方面受到极大限制。这需要我国科研人员坚定高科技自立自强的信念，发展自己的先进光刻技术和设备。
南方科技大学教授，教育部特聘教授。于清华大学获得学士和硕士学位，耶鲁大学获得博士学位。2015年获得美国自然科学基金会杰出青年教授奖（NSF CAREER Award）。曾任美国弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）机械工程系终身职副教授（tenured associate professor）。2017年回国后相继主持国家自然科学基金项目3项，包括重点项目1项。研究领域是微小尺度实验流体力学、基于液滴的喷印制造、液体与激光的相互作用。曾在《物理评论快报》（ Physical Review Letters ）发表2篇封面文章和1篇编辑推荐文章。