除了光刻机激光还有什么用?

9月21日,英伟达创始人兼CEO黄仁勋在接受国际媒体采访时,说了这样一句话:

也就是说,芯片中集成的晶体管数量没办法像过去一样保持每18个月翻一番,同时价格下降为之前的一半。

这背后,不仅是晶圆价格上涨,还有一个重要原因,先进制程光刻机技术也到了天花板。

目前,全球最先进的光刻机是荷兰ASML生产的EUV光刻机。最新一代的High-NA极紫外光刻机,预计会在2024—2025年交付。

2020年的9月15日,美国对华为的芯片制裁正式生效。发酵的舆论将一种制造高端芯片的设备——光刻机,引入了大众视野。

光刻机被誉为人类工业皇冠上的明珠,全世界只有荷兰、中国、日本、美国、韩国等少数几个国家能制造,但只有荷兰的光刻机能生产几纳米制程的高端芯片。

2022年第一季度,华为手机的销量已经跌出了国内前五,跌到了世界第九。短短一年多的时间,华为成了国人见证高端科技被卡脖子后果的典型。

光的波长越短,所能雕刻的电路尺寸越小,芯片上的晶体管越多,性能也就越高。

中国国产光刻机目前能成熟量产的芯片制程为90纳米,这种级别的芯片可以满足电话、电视、机顶盒等产品的需求,但对于如今的电脑、手机来说远远不够。

用在电脑里的英特尔公司设计的第12代酷睿芯片制程为10纳米,被美国制裁的华为设计的麒麟990芯片制程则只有7纳米。全世界只有荷兰阿斯麦尔公司生产的光刻机能造出它们。

为了制造这类芯片,需要用到一种波长仅为13.5nm的光,这种波长极短的光叫做极紫外光(EUV)。而为了产生这种极紫外光,需要用到另一个东西,那就是激光。

在大多数人的印象里,激光是一束细细的红光,这大概是由于大家对它的记忆点维持在老师用的激光笔上。(不过,激光也可以有其他颜色)

从日用到医疗,从工业到武器,哪都有激光,连三流的科幻片都不屑于拿激光当噱头。

摩尔定律结束了,光刻机也即将迎来技术终点,激光技术还有其他有价值的应用场景?

要想理解这一物理过程,可以想象一个两边长度不对称的跷跷板,长的一边落在地上,短的一边翘在空中。

跷跷板的长边上坐着A。此时,跷跷板与A可被视为处于基态的原子,跷跷板是原子核,A是核外电子。

A本来好好地坐在那里。突然,一个唱、跳都不错的B打了一把篮球,完事儿还把球扔给了A。

球的冲击力一下就把A带到了翘到空中的短边上。此时,A的位置更高,但却不稳定。跷跷板与A可被视为处于激发态的原子,这种从基态受冲击到达激发态的过程便是受激吸收。

处在这个位置A可是战战兢兢如履薄冰,因为下面好多B的粉丝C们在围观叫喊:你以为你很美吗?怎么能拿B的篮球?

这时,一个C又搞了个新球,嗖的一下扔向了A。A很害怕,因为就算C不扔新球过来,他也想把手里的球扔出去,好通过反作用力回到更安全的基态。

如果他在C扔球过来前就把B的球扔出去,并回到了基态,这个过程就叫做自发辐射。

如果A还在激发态的时候,C已经把新球扔过来了,那A得把两个球都扔出去才能安全回到基态。在C看来,他对A扔过去一个球,却从A那里得到了两个球,球量加倍,这就叫受激辐射。

对应到微观层面,处于激发态的高能级原子通过受激辐射回落到低能级,在此过程中发出的光子是输入光子的两倍,这种过程被称为光放大。

光放大是产生激光的前提,这意味着想要产生激光,必须要有大量处于高能级的原子发生足够多的受激辐射过程。

从理论上提出受激辐射的概念,到实验上真正发现受激辐射过程,再到利用受激辐射产生激光,这之间过了四十多年。

一般情况下,原子多处于更稳定的基态,处于高能级的特别少。因此,受激辐射过程的占比远小于受激吸收和自发辐射,不能实现光的放大。

为了使受激辐射占主导地位,需要使高能级的原子远多于基态的原子,这种情况被称为粒子数反转。

1951年,美国物理学家查尔斯·汤斯(Charles Townes)想到了在氨分子里实现粒子数反转的方法。

查尔斯想到了一个取巧的办法,他利用外加电场使一部分氨分子电离并处于激发态,再通过磁场把处于基态的氨分子和处于激发态的氨分子区分开来。之后,他将激发态的氨分子注入到一个柱形空腔里。

这个空腔被称为谐振腔,它由两块平行放置的平面镜组成,其中一个是全反射镜,可将光完全反射;另一个是允许小部分光通过的部分反射镜。

在电场作用下,处于高能级的氨气分子发生受激辐射后,会发出被可见光频率更低的微波。此时,偏离轴向运动的波会直接溢出,而沿着轴向运动的波则在两个反射镜之间来回反射。

这种筛选过程既能累积诱导发生新的受激辐射(能量来自于来回反射的波),又保证了最终输出微波的准直(方向)性。这些保留下来的波之间也具有一种特殊的关系,也就是——相干性。

比如,你可以蹲在湖边,双手同时搅动湖水。如果风平浪静,且两手的动作完全一致,那么搅动产生的的两轮水波便是相干的。

中学物理有个杨氏双缝干涉实验。将同一光源发出的一束光分成两束,它们传播一段距离再相遇后,振动频率和波形仍然相同,此时的它们便是相干光。

基于相干性,1953年,查尔斯造出了世界上第一台微波放大装置,该装置利用激发的氨分子发生受激辐射来放大频率约为24 GHz的微波。

MASER和激光(LASER)的名称虽然不同,但本质上是一类东西,因为光和微波都是电磁波。

在发展MASER的过程中,科学家找到了另外一种更为合适的增益介质来替代氨气,那就是红宝石。

红宝石由三氧化二铝中掺有少量铬离子制成,它是常温固体的,机械强度高,体积小巧,用起来更方便。

此外,铬离子有三个能级,当它被激发到E3能级时,寿命非常短,它们会很快跌落到E2能级。

E2比E3能级更低,铬离子停留的时间也相对更长,这导致铬离子从E3到达E2的速度比离开E2回到基态E1的速度快得多,从而使处于E2的铬离子数大于处于基态的铬离子数,粒子数就反转了。

既然制造MASER的技术越来越成熟,也是时候造一个可见光波段的激射器了。于是,科学家顺理成章低把目光放到了红宝石身上。

但是,同为MASER发明人之一的的亚瑟·伦纳德·肖洛(Arthur Leonard Schawlow)认为,红宝石放大微波可以,但它的光电转换的量子效率极低(不到1%),就很难产生激光。

权威的力量是巨大的,学界也都不看好红宝石的应用。于是大家只能去找新的增益介质,气体、固体、液体什么都有。

到50年代末已经把MASER可适用的波段推到了30千兆赫兹,但离可见光的最低频率还差整整四个量级,然后有人断言说不可能造出激射可见光的装置。

这个时候,为美国军方研制太空微波红宝石激射器的西奥多·梅曼(Theodore Maima)站出来了。他决定测一下红宝石的量子效率,一测不要紧,结果发现阿瑟说得不太对!在荧光作用下,红宝石光电转换的的量子效率实际高达75%。

接下来的发展就比较顺利了,他用高强荧光灯作为泵浦源,为增益介质——红宝石棒提供能量,将其中的铬离子从低能级提升到高能级,为受激辐射做好准备。

红宝石两端同样有两面镜子,它们共同组成谐振腔,激光由此酝酿发出。到此,世界上第一台激光器——红宝石激光器终于诞生。

1960年5月16日,梅曼按下激光器开关,射出第一束红色激光,持续了三亿分之一秒,亮度是太阳表面的百亿倍,连梅曼红色色盲的助手都看到了红色。

大家一看,绕了半天,原来这条路是可以的,于是,对激光器的研制终于开始井喷了。

仅仅过了一年,中国第一台激光器——小球照明红宝石激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生,而且有更好的激发效率。这表明我国激光技术当时已达到世界先进水平,设计师王之江教授成为了中国激光之父。

激光的亮度高意味着高能量,而且可以聚焦到极小的光斑,从而实现精准的激光切割、光刻,乃至核聚变等等。

军事上,以二氧化碳气体为增益介质的激光器可以用来切割坚硬的金属或非金属材料,以氧碘、氟化氢等气体为增益介质的化学激光武器已经可以做到摧毁卫星、拦截导弹。

1968年,第一代激光制导炸弹宝石路在越南战场投入使用,凭借激光精准的导引能力,平均13枚就能摧毁一个大型军事目标,而换成普通炸弹,可能需要地毯式轰炸几千枚。

单色性好的激光在光纤通信中具有很大的优势,因其频率范围窄,信息传输时的噪声也小,可以在传输很远距离的同时扩大通信容量。目前,只有一种振荡频率的单频激光器可以把十几万路的通话传输到一百公里之外。

而用激光做显示,成像效率高、光学性能稳定,相比其他光源颜色更纯正、亮度更均匀、色彩范围更广,光源控制更精确,不受干扰。

人眼能分辨自然界100万种颜色,液晶屏幕只能覆盖其中60%,源头上决定了普通电视画面再清晰也有失真感,而激光显示却能达到90多万种颜色,能够更准确还原人眼中的自然色彩。

激光作为一种万能工具,不把它的所能所长利用殆尽好像都对不起它那玄妙的威力。

于是,人们用它来激发出能蚀刻芯片的极紫外光(EUV)。有了波长极短的极紫外光,人们造出了制程仅为几纳米的高端芯片。

在EUV光刻机中,以二氧化碳为增益介质的激光器以极高的频率发射高能激光脉冲,这些激光会轰击呈液态滴落的金属锡。锡液滴受到轰击后,温度急剧上升到几十万度,之后它们会转变成另一种物质形态——等离子体。

事实上,高温同步辐射或高强度的电流也能被用于产生EUV。不过,由于芯片生产过程的高标准与高要求,目前只有依靠激光产生的EUV才能担当大任。换句话说,激光是人类造芯的唯一选择。

另外,激光不仅能充当造刀的工具,它自己也可以化身为刀。在EUV光刻技术出现之前,准分子激光光刻一直是光刻技术的最前沿。

准分子激光器以惰性气体和卤化物气体为增益介质,目前占市场主导地位的深紫外(DUV)光刻用的刀——波长为248 nm的氟化氪 (KrF) 激光和波长为193 nm的氟化氩激光 (ArF),便是出自于准分子激光器。

自准分子激光技术诞生以来,它一直是芯片摩尔定律持续推进的关键因素。毫不夸张的说,没有激光的诞生,芯片以及整个信息产业就不可能发展到如今的水平。

当然,激光系统只是国外光刻机技术壁垒的一部分,中国想要独立造出高端芯片,需要用到很多人、很多钱、好多年去攻克一个又一个技术壁垒。它是个任重道远的目标,但我们别无选择。

高能物理是人类探索宇宙规律的最前沿,但为了能把研究进行下去,需要建设体积越来越大、成本飞速上升的对撞机。关于它的背后原因,感兴趣的观众可以看看我们之前的内容。

很多人反对国家大力投入来支持未来大型对撞机的建设,最主要的原因起身是成本投入问题,甚至是科研资源的争夺。

但搞科研的毕竟都是体面人,大家看透不说透。开会时打个照面握握手,拍个合影称朋友,转过身去我该怼你还是怼你。所以说,吵架是吵不出结果来的,解决问题靠的不是非得拼个你死我活,而是要找方法。

对撞机之所以越建越大,是因为粒子加速越快,能量越高,相互撞击时碎裂得也就越彻底,科学家就越有可能窥探到底层规律的奥秘。

在目前的技术手段中,加速粒子靠的是电磁能,将其粒子路径折弯在圆环内运动。

考虑到加速度太快圆环结构承受不了,只能提升加速距离,而随着能量的增加,弯折它所需的磁场强度也将超出人力极限,圈也不能太小,唯一办法只有延长加速环,减少弯曲程度,提升加速器的尺寸这一条路,结果是高能物理设施越来越大。

该技术自1979年被两位美国物理学家提出后,经过四十多年的发展,已经取得了不少进展。

一束强激光脉冲在等离子体内部传输时,会对带电粒子产生推动作用(源于有质动力)。

等离子体中的电子在激光穿过的瞬间会偏离原来的平衡位置。质量较大的离子则基本静止,从而在离子和偏离的电子之间出现电场。

该电场对电子产生吸引作用,激光穿过该区域后,电子会回到平衡位置,并形成交替往返的振荡运动。最终,激光脉冲的尾部会形成周期性振荡,且以近光速传播的等离子体波。

在一个完整的尾波结构中,存在四分之一的区域对电子而言既是纵向加速,也是横向聚焦的。与传统射频腔加速器不同,该加速结构本身和其内部的加速场都是向前传播的,因而电子可获得非常大的加速能量。

一句话来说,激光尾波场加速就是利用超强激光,在等离子体中激发出尾波来对带电粒子进行加速的一种机制。

这等同于(激)光有多快,基本粒子就能在极短的时间内加速到多快。这可比用电场逐级加速效率高多了!

由于等离子体是已经完全电离的物质,不受通常材料在强电场下会击穿的限制,能够承载足够高的场强。其加速梯度相较于现有的常规射频腔加速器可以提升1000倍,达到GV/m。

有激光参与的未来对撞机之所以是一个充满前景的技术路线,是因为它能显著提高加速环的加速梯度,使粒子在很短的直线距离内就加速到足够高的能量,不用担心结构问题。

直白点说,欧洲27公里长圆环形LHC未来可能会被仅有3米长的激光直线对撞机取代!

而在地球上建造对撞机的能量极限是绕地球建一圈(当然这是不可能实现的)。如果实现了激光加速,要达到同样的能量水平,也只需要12.7公里的长度,还没有LHC的一半大,同样性价比极高。

我们短期内还很难实现用激光来进行高能物理对撞实验,因为激光尾波加速还存在不少难题。

举了个例子,激光在传输过程中会发生自然散焦,即它的横截面积会越来越大。而为了确保它能稳定地长距离传输下去,需要产生合适的等离子体结构来控制激光的散焦程度。

此外,虽然激光能在等离子体中激发出尾波,但尾波也分三六九等,更强的尾波需要特殊类型的激光才能激发,这种激光是什么样的?目前也是一个需要解答的难题。

围绕激光尾波加速的研究已经开展了四十多年,或许还要很久,我们才能看到激光加速的对撞机。

不过,我们愿意给它时间,毕竟,另一个离成功总是还要五十年的领域,已经持续进行了七十年。

聚变能被认为是真正的终极能源,实现它的方式除了我们之前所说的磁约束托卡马克装置外(),还有另外一种,那就是激光惯性约束聚变。它最早是在上世纪60年代,分别由我国的王淦昌院士和前苏联的科学家独立提出。

所谓激光惯性约束,指的是不对聚变燃料进行外力(如磁力)约束。利用高能激光去轰击燃料来产生高温高压环境,静止的燃料由于惯性来不及散开,处在这种极端环境下,聚变反应由此发生。

温度、压强、约束时间是判据中的三个物理量,它们的乘积(聚变三乘积)需要大于某个特定值才能保证聚变反应的持续进行。

在磁约束方式中,由于等离子体的密度稀薄,压强必然不高。为了达到判据要求,追求的是更高的温度以及更长的约束时间。

在利用激光进行聚变反应时,技术方向发生了变化,长的约束时间不再是最重要的,取而代之的是要追求更高的压强。

在激光聚变方案中,燃料是几毫克的氘氚混合物,它们被处理成针头大小的球形靶丸。

这种方案听起来比托卡马克装置明了多了,但实际上,它一点也不比磁约束方案容易。

一个首要的问题是,为了发生聚变,靶丸内部燃料的密度要比初始时大一千倍,而为了实现如此逆天的压缩,燃料感受到压强需要高达3000亿个大气压!

人造机器所能产生的最大压力是8万吨,它是2013年由中国第二重型机械集团制造的大型锻压机。整个机器高度超过40米,重达2.2万吨。

但即便如此,它产生的压强也只相当于20万个大气压,与聚变所需的3000亿个大气压还差了一百万个数量级!

从这可以看出,单纯靠激光的轰击使靶丸达到聚变条件是不可能的,必须想其他办法。科学家想到的是氢弹爆炸的过程。

并不是所有人都知道,氢弹里其实有一个。没有它,聚变反应所需的高温高压环境就无法实现,氢弹也就就爆炸不了。

在目前较为成熟的设计里,构成靶丸外层的材料主要是碳氢(CH)、高密度碳(HDC)或者铍(Be)。这些材料被激光轰击消融爆炸后,变成高温等离子体。

想要将中心密度压缩到足够高,靶丸外层的爆炸过程就必须非常均匀,因为哪怕外层不同部分的加速度有一丁点的的差别,抵达中心燃料的能量冲击就会有时间差,压缩也会因此失败!

如此苛刻的条件意味着靶丸必是须近乎完美的球体,同时轰击靶丸的激光必须非常均匀平滑。

目前世界上最大的激光聚变装置是美国的国家点火装置(NIF),装置的核心是一个直径达10米,重13吨的钢球靶室。燃料靶丸被放在靶室的中央,等待功率高达5千亿千瓦(5 *1014 W)的激光的轰击。

为了使靶丸受到均匀地轰击,那颗针尖大小的靶丸被放置在一个胶囊状的金属黑腔内。NIF的高功率激光被分成192束,在万亿分之一秒内(皮秒10-12s)的误差内同时射入这个黑腔。

由于激光未直接照射到靶丸上面,这种引发聚变的方式也被称为间接驱动,也是目前最为主流的驱动方式。

看过我们之前可控核聚变内容的读者都知道,点火是一个有其他含意的词。它指的是不需要外部能量的输入,聚变反应可以自发维持下去。

点火相当于一个节点,只有实现了它,才能再走向下一步,也就是反应的输出能量大于反应所需的输入能量,实现真正的有利用价值的可控核聚变。

2021年8月,NIF的实验取得了自2012年开机以来的最好结果,燃料聚变产生的能量约占激光输入能量的70%。此结果略高于欧洲联合环JET在1997年创下的67%的记录,后者是ITER建成前世界上最大的磁约束装置。

不过需要明确的是,70%指的是聚变产生的能量1.3MJ与线MJ之比。但该实验为了将1.8MJ的激光能量输入到靶丸上,耗费了477 MJ的电能。

科学家想用它来加速基本粒子。如果成功,建造几十、上百公里长的对撞机就不再是探索宇宙规律的先决条件。

几个大国用它来研究可控核聚变。如果实现,人类接力几代,对终极能源的追求,也算是可以画上句点。

科学家的预期与规划能不能按时实现,还得等待时间的检验。但无论是激光聚变还是磁约束聚变谁先取得突破,对人类来说都是科技史上的莫大荣光,文明史上的巨大飞跃。

2017年,诺贝尔物理学奖授予了雷纳·韦斯等三人,以表彰他们以爱因斯坦受激辐射理论为基础的激光干涉探测仪LIGO首次探测到引力波,证实了爱因斯坦预言的那个回荡在宇宙深处的幽灵。

1997年,诺贝尔物理学奖授予了朱棣文等三人,理由是他们发展了激光冷却以及捕获原子的方法。

1999年的诺贝尔化学家颁给了艾哈迈德·泽维尔,以表彰他成功利用激光拍摄到化学反应过程,并开创了飞秒化学这一新兴领域。

2017年,瑞士科学家研发出了持续时间只有43阿秒(1阿秒=10-18秒)的超快激光脉冲,用作激光相机,0.001秒拍下的照片数量,人眼几万年也翻不完,才才能清晰记录分子、原子乃至电子的运动过程。

然而,还没过年,这个记录又被中国上海的超强超短激光实验装置以12.9拍瓦的激光输出打破,相当于当年全球总发电功率的3000多倍。

这个装置还有个名字,叫羲和,《山海经》中记载的生下十个太阳的女神,而12.9拍瓦相当于把12个太阳照在地球上的光聚焦在一个头发丝上的光强,看来还是谦虚了点。

但有那么多科学家们前赴后继为证,激光不是神的恩赐,而是人类摸透宇宙规律后完全掌握在手里的可靠工具。

如今,我们面对宇宙的浩渺,本质上与站在大海前的赤身裸体原始人差不多,但光刻机、未来对撞机、可控核聚变,这些看似八竿子打不着的设施神奇地被这束光联系到了一起,就像第一束火把,照出了未来无限可能。

正如激光,三十多年一直存在于草稿中,都炸了还没搞出来,还被领域权威认为不可能,却在一个人坚持突破瓶颈后,就猛然把人类认知极大与极小的边界往前推了几个量级。

科技最前沿的突破永远都是布满艰险,总因为过于高深,很难被世人甚至同行理解。

回顾此前大国重器的系列内容,我们介绍了以欧洲大型强子对撞机为代表的粒子对撞机及其所肩负的科学使命,以托卡马克为代表的磁约束聚变装置所追求的终极能源之路。最后,通过一束激光,我们看到了它们未来的更多可能。

酷玩实验室愿意充当科普前锋的角色,将这些高深莫测的学科、技术、设施、机构以及背后那群人的故事,抽丝剥茧地呈现到大众面前。

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