光刻机的灵魂刻刀

最近几年的中美贸易战越演越烈，美国以保护国家安全为由加强禁令，导致华为被动地出现了芯片危机，甚至有可能被逼入绝境。作为中国的优秀企业，华为拥有着全国领先的技术。但为什么美国的一纸制裁书，就能卡到华为的脖子呢？难道华为无法自己制造芯片吗？当然不是，问题的关键，在于小而精这一点上。华为自己制造的芯片大概在7纳米和14纳米左右，而禁令之前，华为与台积电合作生产的芯片，其最小制程已经有望达到5纳米左右。这东西是越小越金贵，禁令一出，华为只能找别家合作，但就是做7纳米也蛮费劲的。那么台积电有的东西一定是我们所缺少的，这东西是什么呢？这就要从芯片的制造技术说起了。

谈到芯片的制造，就不得不说说光刻机这个东西。它是一种能够制造出芯片的高端精密仪器。光刻机，顾名思义，就是用光学技术把各种各样形式的电路刻在晶圆上面，之后再使用精密的仪器顺着刻出来的样子继续加工，最后得到小而精的芯片，它可以完成大量的、复杂的运算，可以处理很多任务。它可以放在电视、电脑、手机里，没有这种东西，现代社会的很多电子产品就无法小型化、功能也无法复杂化。由此可见，作为它的制造仪器光刻机，显然成了芯片产业中最昂贵且技术难度最高的机器，好几亿美金一台的价格都算便宜的。

光刻机

可是光刻机昂贵在哪里呢？既然它是整块芯片的灵魂刻刀，那么它的关键就在一个“刻”字上，究竟有多锋利的刀刃，能刻出这么小而精的芯片？世界上最锋利的刀刃，不是金属而是激光。光刻机使用了光学技术，它最核心的东西就是用某种材料来控制光源，来达到我们想要的效果。也就是把光变成刀刃。

我们常见的光源有可见光和紫外光，其中紫外光又叫做UV，它能杀菌消毒，但同时对眼睛有很大的杀伤力，是肉眼不可直视的光源。而目前世界上发现的，比紫外光更具杀伤力的光源便是深紫外光和极紫外光，又称DUV和EUV。这些光源按照波长来比较，EUV是波长最短的光源。波长越短的光，其频率越高，如果利用起来进行聚焦，则可以变成激光束来进行切割，它可以使被照射的材料迅速熔化，并且借助与激光束同样高速的气流吹掉熔融物质，从而实现切割的目的。如果我们的要求更精密，不是切割而是雕刻呢？这就是光刻的原理。

目前为止，波长最短的EUV光源，所产生的激光所雕刻的芯片，精度更高。除了光源本身以外，将光源利用起来进行聚焦、折射、甚至改变其波长和频率的光学晶体材料，也成了这类精密仪器的核心部件，甚至对于所有激光类仪器，都起着至关重要的作用。

然而，美国的禁令一出，华为和台积电无法再合作，转而与中芯国际合作制造芯片。不久后媒体就捕捉到中芯国际从荷兰进口了一台大型光刻机，通过出口加工区场站两道闸口进入厂区，当时给了业界很大期望，但后来才知道也只是DUV光刻机。而荷兰最先进的EUV光刻机，一直受到美国的阻拦，始终不肯卖给中国。

如果你了解中国光学晶体材料的历史，就不难看出，这些卡中国脖子的行为，也可能是美国为了雪耻，而进行的报复。因为早在20世纪80年代，中国就曾经发明了领先于世界的，非线性光学晶体材料，并且在当时禁止了这项产品和技术的外传。换句话说，在激光科学领域，中国先卡过美国的脖子。

大国工匠，一剑封喉的辉煌

中国的非线性光学晶体研究之路，是由几代科研人员前赴后继，所开创出来的奋斗之路，是中华民族在落后屈辱中，不断地进行努力和抗争的道路。1978年，陈创天博士首次发现并合成了BBO晶体，也是第一块“中国牌”非线性光学晶体，引起了世界激光学界的关注。在当时，成了热销品，世界上80%的BBO都是中国制造！

1987年，第二块“中国牌”非线性光学晶体，即LBO晶体。由陈创天的学生吴以成研制成功。作为非线性光学晶体的传承人，吴以成整整研究了三年。他和他的导师陈博士，乐观平和，从不以研究为累、为苦。在他们看来，为中国造出性能更好的非线性光学晶体，哪怕拼了命，也是值得的。师徒二人发明的“中国牌”晶体，广泛应用于激光技术领域。还被美国杂志评选为1989年世界十大激光高科技产品之一。

而此时的陈创天，带领着他的团队，精益求精地又向前迈出了一大步。当时在国际同行中流传着一种说法，说是激光的波长不可能再小于200纳米了。然而陈创天团队却在1990年的时候发现了一种能够产生最短激光波长为184.7纳米的晶体。经过多次试验，最终成功地合成了这种晶体，因为它是由氟代硼铍酸钾合成的，因此取每个化学元素首字母来给它命名为KBBF晶体。陈创天发现BBO和LBO虽好，但却只是把近红外光转化为可见光和近紫外光，无法产生深紫外光。只有KBBF晶体才完美地达到了这一目的。

而深紫外非线性光学晶体是激光器的关键光学元件，且其综合性直接决定着激光器输出深紫外激光的光束质量和转换效率。通俗点说，就是它可以是一个高级磨刀石，可以把光做成你想要的刀，想让它有多锋利它就会有多锋利。KBBF晶体是高端光刻机、激光光谱仪甚至是激光武器的核心元件，它的性质和质量，直接决定了这些精密仪器或者战略性武器的质量和精确程度。经过大国工匠多年的努力奋斗，深紫外时代开始了。KBBF晶体在国际上一面市就引起了世界的震动，一时间又成了抢手货，一小块就高达好几万美元！

当时的中国很快便意识到了KBBF晶体可以用于军事用途的战略意义，进而对该材料进行了禁售和技术封锁。至此，一向傲慢的美国人慌了，小到教学科研和医疗设备，大到激光武器，凡是跟KBBF晶体有关的项目都因为中国禁售而被卡了脖子。美国人找陈创天以高价买KBBF晶体，直接被拒绝：不卖。美国人又希望用极高的薪水挖走陈创天，得到的答复也是直接被怼：不去。以至于美国《自然》杂志大吐苦水，发表了一篇文章，就叫做《中国藏起了这种晶体》。

KBBF晶体

随着光刻、激光加工以及激光光谱仪等等这些激光科学的飞速发展，KBBF晶体材料作为激光技术及光电子技术核心材料之一，在激光存储、激光通信、激光制导、激光惯性约束核聚变等领域都具有着重要的应用。美国人没辙了，不知投入了多少人力物力财力，也开始“自主研发”。经过了15年的时间，最终于2016年，才研制出KBBF晶体，突破了中国的封锁。

巨匠陨落，路漫漫其修远兮

在美国人着急研发的时候，追求完美的陈创天博士和他的团队依然马不停蹄，继续对KBBF晶体进行了大量的研究工作，力求在这个过程中发现更多性能更优良的光学晶体材料。

由于KBBF晶体的合成材料中有一种叫做铍的化学元素有剧毒，以此为研究方向，陈创天于2015年，发现了LSBO晶体，这是一种新型无铍深紫外非线性光学晶体材料。可以替代含有剧毒物质铍成为下一代深紫外线非线性光学晶体材料。但没有想到的是，三年后，陈创天博士便因病逝世。一代科技巨匠悄无声息地陨落了，这将成为我国在科技领域的重大损失。然而，中国的科技工作者们并不会因此而停下前进的脚步，材料科学很重要，谁掌握制作设备的工艺，谁就更先进。每个国家都有自己的强项，掌握的强项越多，被别人卡脖子的机会也就越少。

铍

中国的激光技术虽然暂时领先于世界，但从美国突破技术封锁和华为事件来看，中国科学家们未来还有很长的路要走。通过科技工作者的共同努力，目前已经发现的一系列新的KBBF族晶体，这其中有不少更优良的材料。比如RABF晶体，其合成材料用铝元素取代了有剧毒的铍元素。ABBF晶体与KBBF晶体的结构相同，同时保留了KBBF族晶体其他的性能特点，通过水热法进行生长，双折射率与KBBF晶体也十分接近。

中国晶体材料事业来之不易，经过这么多年的努力，已经在国际上有影响了，而且是世界领先水平。从“中国牌”晶体的发展历程来看，中国在光刻技术方面还是有着坚实的基础的，中国还有很大的上升空间。只要国家有决心，将来一定能够攻克光刻机技术。只有把EUV光刻机研制出来，华为这样的优秀企业，才能不被禁令所掣肘。希望我国的晶体事业，能够继续创造辉煌。

KBBF族晶体