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为什么只有荷兰在造最先进的光刻机?

(2023-01-27 15:33:31) 下一个

——漫说荷兰的物理学、工匠精神与艺术气质

第249期曹则贤 822

Magic is No Magic!

—— Simon Stevin

内容提要

半导体芯片是高科技艺术品，芯片制造是基于科学的细活儿，所需的光刻机属于那种科学、技艺和精益求精的工匠精神得以完美结合的独特工业门类。荷兰人的深厚科学底蕴、善于制造仪器的习惯以及由此所体现的工匠精神、独特的艺术气质尤其是在艺术中对科学表达的追求，或许能解释为什么只有荷兰在制造最先进的光刻机。

关键词

荷兰，莱顿大学，物理学，光学，波动说，光学仪器，显微术，绘画，紫外光源，光刻机

引子

近几年来，中国的工业制造面临许多领域被卡脖子的局面。这其中，半导体芯片制造业所需的光刻机的供应问题尤为突出。当前用于14 nm 以下制程芯片制造的、使用极紫外光的先进光刻机，好像是只有荷兰ASML 公司一家供应商。由于来自外部的压力，荷兰在是否对中国供应光刻机的问题上摇摆不定，极大地影响了中国半导体工业的发展。显然，问题的关键是极紫外光刻机的来源单一。由此带来的一个问题是，为什么只有荷兰在制造最先进的光刻机？这句话也可以换个角度理解，如果中国要自力更生解决先进光刻机，必须直面哪些问题？为什么只有荷兰在制造最先进的光刻机？这句话也可以换个角度理解，如果中国要自力更生解决先进光刻机，那我们必须直面哪些问题？

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笔者对半导体工业一无所知。然而，作为一个物理学工作者，对荷兰这个国家却做不到一无所知。荷兰人对物理学的理论、实验和科学仪器制造诸方面的贡献太大了。荷兰居于大西洋沿岸的低地，属于贫瘠之地，其人民朴素、务实可以理解，奇怪的是，荷兰人具有极其高的艺术天分且在艺术创作中不乏对科学的表达。创造了大量物理学尤其是光学知识所体现出的研究能力，仪器尤其是显微用仪器的制造以及由此所体现的工匠精神，艺术气质尤其是那种在艺术中追求科学与细节的劲儿，这些因素的结合或许有助于我们理解为什么是荷兰在制造最先进的光刻机。即便这种理解是目的论式的，不够严谨，但我们借此机会认真打量一下荷兰这个国度也是有益的。

鉴于涉及的内容太过磅礴，本文只能做蜻蜓点水般的简介。

荷兰这个国家

提起荷兰这个国家，至少就笔者个人而言，对其所知甚少。笔者曾在荷兰的邻国德国旅居7年，也算是学物理的，但此前从未认真想过特地去了解一下这个国家。荷兰在我们中国人眼中应该算是个蕞尔小国，依2022年维基百科的数据，其国土面积约5万平方公里，人口约1700万。然而，从世界殖民史、贸易史、科学技术史等角度来看，荷兰都是个举足轻重的国家。荷兰在16世纪即已崛起为大国，是奠定近代科学的国家，在明朝万历年间(1624年)就以侵略者的面目占领了我国的台湾省。荷兰的一个小学校，莱顿大学
(Universiteit Leiden), 在物理学史上具有举足轻重的地位，同奥地利的维也纳大学、德国的哥廷恩大学、巴黎的高等工科学校或者巴黎高师、瑞士的联邦理工、英国的剑桥这些学校相比毫不逊色。荷兰的科技极为发达，单以农业技术论，荷兰农业给我们的印象也许是风车、奶牛加郁金香，然而2021年的数据表明，荷兰农业人口的平均产值是中国的12倍之多。2018年，荷兰的创新指数排名全球第二。

有趣的是，实际上许多国家的人甚至连荷兰这个国家的名字都弄不对。荷兰，全称为Koninkrijk der Nederlanden (尼德兰王国)，国土包括欧洲一部分和南美一部分。欧洲部分被其他欧洲国家称为Niederlands, Netherlands, la pay bas, 即低地国家，因为其地势确实低洼 (图1)。尼德兰西北部分的两个Landen 称为Holland(荷兰)，分为北荷兰和南荷兰。Holland ( Holtlant), 意为森林之地，木材产地。用荷兰称呼尼德兰王国，与西语中用秦代称今天的中华人民共和国有共通之处。荷兰语是继英语和德语之后第三大日耳曼语系的语言。德语为Deutsch，荷兰语类似把德语放在嗓子眼里说，于是被称为Dutch (音：独切)。英语中称呼荷兰为Dutch Republic，不太好翻译。通德语者，大概能读懂荷兰语。顺便说一句，英语是正经八百的德语，所谓条顿化了的德语，当然后来因为法人掌国又引入了大量的法语词。这一点，请英语老师们抽空给学生们讲清楚。

图1. 荷兰的欧洲部分，东南和南部分别同德国和比利时接壤。荷兰实际指的是西北靠海的Noord Holland (北荷兰) 和 Zuid Holland (南荷兰)两个州。

荷兰的自然科学

我这里说的自然科学，是对physical sciences 的翻译。Physical, 自然的，来自希腊语自然(φυσις)一词。Physics，物理学，是关于自然的学问，其研究对象为everything。
谈论荷兰对自然科学的贡献，只提及一个叫莱顿的小镇便可知大概。莱顿是南荷兰州一个不过10万人的小镇子，镇上的莱顿大学建于1575年，据说“占据欧洲杰出科学中心四个多世纪 (Leiden has been one of Europe's most prominent scientific centres for more than four centuries)” 。荷兰对自然科学有贡献的巨擘们，大抵要么是莱顿人，要么是莱顿大学的师生。检视这一段科学史，笔者的一个感慨是，“拥有一所定义国家生命力的大学的城市，乃是一个国家的灵魂城市!” 未知未来我国何地能出现这样的灵魂城市。我想说一句，国家的灵魂城市之最重要的品质是宁静，其拥有的大学数目最好不超1。

荷兰是一个盛产物理学家的国度，对物理学有重大影响的部分杰出物理学家包括

Simon Stevin (1548-1620)
Willebrord Snellius (1580-1626)
Isaac Beeckman (1588–1637)
Christiaan Huygens (1629-1695)
Willem Jacob's Gravesande (1688 – 1742)
HendrikLorentz (1853-1928，1902 诺奖)
Pieter Zeeman (1865-1943, 1902 诺奖)
Johannes Diderik van der Waals (1837-1923, 1910 诺奖)
Heike Kamerlingh Onnes (1853 -1926, 1913 诺奖)
Paul Ehrenfest (1880-1933)
HansKramers (1894-1952)
Martinus J. G. Veltman (1931-2021, 1999诺奖)
Gerard ‘t Hooft (1946---, 1999诺奖)

等等。限于篇幅，笔者接下来对其中几位略作介绍。

斯台文(Stevin)，比伽利略(1564-1642)略年长，是科学启蒙时代的杰出人物。斯台文是科学的开创者，3.1415这样的小数点计数法就是他发明的。他还是荷兰语科学词汇的定义者，如wiskunde (科学), scheikunde (化学), natuurkunde (物理学), sterrenkunde (天文学)等荷兰语词汇都是他造的。斯台文把代数方程从阿拉伯世界引入西方，约在1600年发明了水陆两用桅车 (Zeilwagen)，见图2。斯台文是莱顿大学毕业生。

图2. 斯台文发明的桅车

斯涅尔(Snellius),给出了折射定律的公式表达，n1sinθ1=n2sinθ2 (图3)。此人为莱顿大学数学教授。

图3.折射的Snell 公式

贝克曼(Beeckman),发现波动频率与波节长度成反比。此人是莱顿大学毕业生。

斯格拉乌桑德( 's Gravesande),莱顿大学教授，19岁获法学博士，1715年到伦敦与牛顿交往。发展牛顿力学，用下落黄铜球冲击泥巴发现物体的下落高度同其速度平方的改变成正比(1722年)，此为动能概念和机械能守恒的滥觞。他还用加热前后金属球能否过同样半径的箍儿演示热胀冷缩现象(图4)。

图4. 热胀冷缩演示加热的金属球不再能通过此前能通过的箍儿

惠更斯 (Huygens)，被誉为人类社会第一个“理论物理学家”(不是牛顿，不是莱布尼兹)。他制造了第一个摆钟，从此人类有了时间的精准测量，其1673年发表的Horologium Oscillatorium (摆钟)一书对数学物理的意义(图5)，笔者的评价是不下于牛顿的《原理》一书。惠更斯提出了光的波动说，以及光传播的惠更斯原理，这个原理在200年后被证明是正确的。此人是莱顿大学毕业生。

图5. 惠更斯1656年制作的摆钟以及Horologium Oscillatorium (摆钟)一书

洛伦兹(Lorentz),电动力学的奠基人之一。以他名字命名的洛伦兹力公式往前联系到麦克斯韦方程组，洛伦兹变换往后联系着爱因斯坦的狭义相对论。此人是莱顿大学毕业生和莱顿大学的教授。1896年，在莱顿大学做讲师的塞曼(Zeeman) 发现了塞曼效应 (图6)，在10月31日这天给洛伦兹讲解了他的发现，两天后洛伦兹即给出了理论解释。这样两人一起获得了1902年度的诺贝尔物理奖。

图6. 塞曼关于钠双黄线在磁场下分裂的原始记录

范德瓦尔斯 (Van der Waals),莱顿人，莱顿大学的毕业生。此人给出了实际气体的状态方程，这还是一个难得的一元三次方程例子。基于这个方程，可以预言气态-液态之上有临界点的存在。

昂内斯(Onnes),1911年在莱顿大学发现超导电性。

埃伦费斯特(Ehrenfest), 与其妻子一起对统计物理的建立和表述做出了不可磨灭的贡献。坊间常说的、其实没啥意义的“紫外灾难”就是他1910年评价Rayleigh-Jeans 公式所引入的一个说法（注释：没意义是因为十年前的1900年，普朗克已经提出了正确的黑体辐射公式）。此人是莱顿大学的教授。

顺便说一句，电磁学历史上重要的用来盛电(电被当作一种流体)的那种瓶子被称为莱顿瓶(Leyden jar, Leiden jar, 图7)。莱顿瓶储存静电，让电的实验可以在别处开展。莱顿瓶实际上是一个电容器。

图7. 盛电的莱顿瓶右图中为早期试图用瓶子盛电的德国科学家 Otto von Guericke

荷兰的仪器制造业

早在16世纪，荷兰的玻璃制造业就非常发达，其中对科学影响最大的是制镜工业。有了各种形状的透镜和棱镜 (Lens 和 Prism 的汉译都不能传达原义),就带了各种光学和视觉学的进步与应用(图8)，比如用眼镜矫正人的视力。荷兰人在制镜工业方面表现出了杰出的工匠精神以及科学探究精神。1608年，荷兰人Hans Lippershey 申请了望远镜的专利。望远镜的发明让意大利人伽利略看到了月球的表面、金星的相变化以及木星的卫星，这摧毁了主导西方中世纪的地心说。显微镜也是最早出现在荷兰的眼镜制造中心的，具体发明人记录不详。有了显微镜，人们得以将视线导入神奇的微观世界，才有微生物以及物理学、材料学方面的显微研究(图9)。棱镜还带来了光谱仪，这让来自光源的模糊一团的光被分成不同的谱线。荷兰人继承了在光学仪器方面的优异制造水平和学术水平，在电子光学方面同样是处于技术引领地位。在电子显微学方面，荷兰的Philips 公司一直是各种电子显微镜的重要供用商 (图10)。

图8. 形态各异的玻璃lenses 和prisms

图9. 光学显微镜下的沙子

图10. 荷兰飞利浦公司的某型号透射电镜

荷兰的绘画艺术

荷兰属于西欧在大西洋沿岸的低地地区，论及自然条件得算是苦寒地带。然而，荷兰却是艺术尤其是绘画艺术的大国。按照维基百科的条目，荷兰的著名画家竟然是分年度然后再按照姓名罗列的，其数目之多让人咋舌。在荷兰的著名画家中，梵高(Vincent Willem van Gogh, 1853-1890)是享誉世界的、也是感动世界的一位。他在约10年的时间里创作了2100件艺术品，其中包括油画860 幅，主要是逝世前两年的作品。梵高感人的地方是他的使命感，在其作为画商过着优渥生活的某一天突然认识到自己是有绘画使命的。他的绘画用色大胆(characterised by fire, intensity, sunshine)，著名的例子是作品《星空》 (图11)，体现着画家本人的强烈生命力。作为画家，梵高还自己研究颜料。

图11. 梵高作品 De sterrennacht， 1889

荷兰的画家中，有许多人都能细微地表现细节，这和制镜工艺以及由此带来的显微术可以说有共同之处。举例来说，画家维梅尔(Johannes Vermeer，1632-1675)的作品就特别注重细节的刻划，其作品《戴珍珠耳环的女孩》所表现的细腻功底为世人所称道；而在《和女仆一起写信的妇人》这幅画中，对地板的表现达到了投影几何的效果(图12)，笔者就曾用它来讲解铺排(tessellation)的科学问题。具有这种细致、逼真绘画水平的荷兰画家有很多，其中值得注意的是作品中的科学元素，很多都是表现科学研究场景的，如画家Gerard Dou (1613-1675)的作品 (图13)。

图12. 维梅尔的绘画《戴珍珠耳环的女孩》和《和女仆一起写信的妇人》

图13. 荷兰画家Gerrit Dou的油画《天文学家》

荷兰画家对科学的掌握水平和表现能力，是到了那种能够影响具体的科学学科和科学巨擘的层次的。这方面人们会不约而同地想到版画家埃舍尔(Maurits Cornelis Escher，1898-1972)。埃舍尔的作品对科学的表现不止在于精确到每一个小细节，更重要的是在于其主题的深度。图14、15中是一些埃舍尔的作品，如果人们对运动学、相对论、非欧几何、投影几何比较熟悉的话，会为埃舍尔对科学的理解和表达能力所折服。这也是为什么世界数学家大会会有专门的分会讨论埃舍尔的作品以及埃舍尔同著名数学家、2021年度诺贝尔物理奖得主彭罗斯(Roger Penrose, 1931--) 有卓有成果的互动的原因。

图14. 埃舍尔的作品《升降》和《相对论》

图15. 埃舍尔的作品《莫比乌斯带》和《庞加莱圆盘》

在准备2019年底的跨年科学演讲时，笔者认识到，光是我们同远方的连接，是我们进入微观世界的唯一途径，光是物理学的第一研究对象和第一研究工具。显然，在微纳结构制造中，光束是我们的第一工具。早在1800年，英国学者托马斯·杨(Thomas Young, 1773–1829)就参照水波的行为解释了光的双缝干涉，双缝干涉得到的干涉条纹宽度近似地正比于波长，

，其中d为双缝的间距，x为双缝到屏幕的间距(图16)。对显微镜等一类衍射限制的光学系统，分辨率为 lambda= 0.61 lambda/NA，其中NA是数值孔径，最大值约为1.3 ~ 1.4。因为 d ~ lambda/2，故而有半波限制的说法，即使用波长为lambda的单色光的显微系统，其分辨率极限约为lambda/2。当然，这些是远场光学的结果。利用近场光学的显微镜，有分辨率达6 nm的报道。对于具体的光学系统，波长同分辨率或者能实现的斑图之最小细节之间的关系可能很复杂。但有一点是肯定的，即要想观察、操控更小的世界，或者为了实现更小的制造细节，就要使用更短波长的光。

图16. 双缝干涉示意图

当前半导体芯片一般的制程为28 nm, 14 nm, 最先进的制程有 5 nm, 3 nm甚至 2 nm的。至于如何实现这么小的半导体器件细节，笔者不熟悉半导体制造过程，对此不作讨论。有一点是明确的，当前先进光刻机使用的是紫外光。可见光的波长约为780 ~ 390 nm，波长小于 380 nm 的算是进入紫外区域。更具体点说，波长200 - 280 nm 之间的光称为深紫外 (deep ultra-violet, DUV),这个波段的光源有193 nm 的 ArF 准分子激光器和248 nm 的KrF 准分子激光器。波长在10 - 100 nm 的光称为极紫外 (extreme ultra-violet, EUV) 。不过，这样的定义有点儿误导性，波长低于100 nm 的光，单光子能量大于12 eV, 10 nm的光其单光子能量更是高达120 eV, 妥妥地可以算作X-射线了。这样大的单光子能量对一般的物质都有足够的、多种机制的破坏性。对于使用如此短的波长的光刻机，如何制造所需要的透镜、反射镜、探测器等必要元器件都是极大的挑战。

那么，如何获得高亮度的极紫外光源呢？注意，这样短波长的光除了破坏性以外，还要牢记它是用于半导体光刻的，而半导体制作环境的洁净度要求则是极高的—这就要求光源不能带来污染。因此，作为光源的工作介质必然是选择惰性气体，且要求提供一组具有合适的(辐射跃迁几率足够大的)、大能量差的能级。利用惰性气体原子、一价离子肯定是不行的，必须是多重电离的离子(highly charged ions)才能提供恰当的发光能级。为此有两种方案，其中一种是激光产生的等离子体源，使用高强度激光加热氙气(Xenon)。另一种方案是放电产生的等离子体源，对毛细管中的氙气加载脉冲电场产生放电。当然，这些原理说起来简单，造出可实用的且能满足光刻要求的光源，那就太难了。图17 为一种EUV 光源的实物图和用于光刻的示意图，为荷兰ASML公司的产品。

图17. ASML公司的使用激光产生等离子体的EUV 光源

科学精神与勒紧裤带

本文讲述了荷兰的物理学、(光学)仪器制造业及工匠精神、荷兰画家的艺术成就与艺术品味，以及深紫外光源的物理，试图作为对“为什么只有荷兰在制造最先进光刻机”此一问题的回答。虽然本文有诸多牵强处，但是我们必须承认，先进半导体芯片制造毕竟是基于高深科学的、终端产品为高技术艺术品的细活儿，其对物理学尤其是光学的基础知识和仪器制造技术的要求，对工匠精神(做到极致是一种习惯、一种能力) 和艺术气质的要求，是无法回避的。缺少这些一点都不算虚妄的能力，想制造出用于3 nm， 2 nm 制程的光刻机，难度很大。先进光刻机独此一家的局面，是由光刻机自身的性质决定的。

缺少稳定的先进光刻机供应是未来我国半导体工业不得不面对的困局。有同胞呼吁“勒紧裤带”也要造出自己的光刻机，并指出“当年我们勒紧裤带造出了两弹一星，今天我们就能凭着这股精神造出自己的光刻机”。这种说法值得商榷。首先，制造光刻机的难度与制造原子弹的难度不可同日而语。再者，当年我们“勒紧裤带”制造原子弹是因为我们的国家百废待兴，经济困难，是万不得已，绝不可以理解为靠“勒紧裤带”能造出原子弹。实际上，我们的国家能造出两弹一星，靠的是邓稼先、钱学森等一批爱国科学家的高水平学术能力。钱学森、邓稼先们的数学、物理基础，是笔者这种水平的科学家不能望其项背的。不要再迷信“勒紧裤带”。我们需要的是去践行求真务实的科学精神，夯实我们的科学基础和制造技术基础，努力去建设一个知识型、智慧型的先进国家。我们也还要塑造那种精益求精一丝不苟的工匠精神，也要创造条件让我们的劳动者具有艺术与科学交融的那种内在精神。未来的中国，必然要全面掌握最先进的技术，这是我们的追求与使命。最先进的技术，得自手与脑之协同的持久积淀。学来的技术，和自己的土地上自发涌现处的技术，感觉是不一样的!

荷兰那块土地上的事迹，神奇倒不神奇，但伟大确实伟大，值得我们学习、借鉴。当我们的公民具有高度的科学素养和文化素养，作为劳动者的我们有精益求精的工匠精神，我们中间的科学家能走上开拓科学的最前沿，我们的国家必将迎来更辉煌的未来。

2022.12.26 第一稿

【作者简介】曹则贤，中国科技大学822校友，1997年获德国Kaiserslautern大学物理学博士学位。1998年加入中国科学院物理所至今，担任过科技部“973”项目首席科学家。现任中国科学院物理所研究员，曾入选中科院“百人计划”，中国科学院大学、清华大学教授。曾在Science，APL， PNAS，PRL，Advmat，Nature子刊等杂志上发表研究论文百余篇，编、译、著有《物理学咬文嚼字》 (四卷)，《至美无相》，Thin Film Growth，《一念非凡》等专著多部。

【注】本文转发自《风云之声》2022-12-29 的刊文。文章有删节。