戍天九思：超透镜革命来了，光刻机迎来换赛道，中国准备好了吗？

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　　最近，光刻机巨头阿斯麦透露，他们正在研发新一代光刻机，预计2025年实现量产。相比目前最先进的极紫外光刻机，新一代光刻机的主要改进点在于更先进的光学设计。比如，把原来的0.33光圈镜头变为更锐利的0.55光圈，以实现更高的分辨率，这样可以把芯片特征缩小1.7倍，芯片密度增加2.9倍。

　　2021年8月，三星公布超透镜技术，声称未来将超越90%的手机。由此可见，阿斯麦新一代光刻机可能采用超透镜技术。

　　超透镜：四百年来第二次摄影技术革命

　　20多年前，摄影技术发生了一次重大革命——数码相机取代胶片相机。但是，相机中最重要的器件光学镜片，几百年来一直没有发生什么本质变化。今天无论是手机、相机，还是光刻机的镜片，在原理上跟四百年前伽利略发明的望远镜的镜片是一样的。

　　但是，目前摄影技术正在发生第二次重大革命——“超透镜”技术。

　　11月29日，美国普林斯顿大学研究人员在《自然·通讯》杂志上发表论文，用超透镜拍摄了一组高清晰的照片。这种超透镜直径只有1毫米，跟一粒盐一样大小。从照片中可以看出，用这种超透镜拍摄的照片可以与传统光学镜头拍摄的照片相媲美。

　　大家知道，相机里的各种透镜作用就是将各种光线按照拍摄需求进行偏折，尽可能精确地汇聚到成像传感器上。为了把光线偏折到我们想要的位置，就需要利用多个镜片，通过厚度的变化来实现。今天手机摄像头里面的透镜多达十几个，专业单反相机的镜头透镜更多。

　　面对透镜系统越来越笨重的问题，2011年美国哈佛大学的卡帕索教授提出超透镜思路。他发现，其实不用透镜，利用一种非常精细的平面结构，也能实现偏折光线的效果。

　　超透镜是平面的，就像是一块芯片。如果把它放大，上面整齐排列着几百万个尺寸只有几百纳米的细微结构，这些细微结构的大小跟可见光的波长差不多，光在传播的时候碰到这些结构，就会产生一些意想不到的变化。比如，有的光线会剧烈地拐弯，有的则会径直通过。理论上，如果把这些细微结构进行精确设计和排列，就可以用一块扁平的“玻璃片”来实现各种透镜的功能。试想，如果能够用一个盐粒大小的超透镜来拍照，有谁还会使用笨重的传统镜头呢？

　　目前，超透镜技术还面临很多挑战，突出的有两个：

　　一是用超透镜很难拍摄彩色照片。这是因为不同颜色的光波长不同，在经过超透镜的细微结构之后，偏折程度不一样。

　　二是细微结构的设计也很困难。试想，对数以百万计的细微结构，要精确地找到每个结构的最优形状和尺寸，这背后的计算量实在太大，于是只能使用一些简化的设计方案。

　　这次普林斯顿大学的研究人员使用的超透镜拍摄有一项重要创新，就是把深度学习引入了超透镜的图像处理。这样，超透镜的“先天缺陷”和在加工过程中可能出现的后天瑕疵，都可以通过深度学习的方法进行建模和修正。

　　具体方法是，让超透镜对着已有的图片进行拍摄，然后把拍摄出来的图片和原图进行对比，就可以找到一个函数，用来定量地描述这块超透镜的缺陷，或者说“特征”。然后，再用这块超透镜拍摄其它东西的时候，就可以用这个函数对图片进行反向的修正，从而得到高质量的照片。

　　需要说明的是，这种修正方法跟一些利用人工智能来填补图片细节的算法不一样。人工智能填补可以算是一种“脑补”，而这种函数修正是“还原”。

　　可见，超透镜技术创新是超材料技术、超算技术、人工智能技术等前沿技术交叉应用的成果。超透镜这种大规模的纳米级立体结构，必须要通过芯片加工中一种叫做“电子束光刻”的前沿工艺，才能制造出来。如今，在深度学习技术的加持之下，又进一步在拍摄效果上实现了大幅度的突破。

　　虽然目前超透镜技术还不成熟，但作为一项仅仅诞生了十年的前沿技术，它已经展现出了颠覆性的潜力，正在对摄影技术产生革命性重大影响，手机、相机、光刻机等行业正迎来前所未有的大洗牌。

　　超透镜让光刻机迎来换赛道

　　光刻机有光源、镜头和对准系统三大核心技术。因此，全球光刻机市场几乎被阿斯麦、尼康和佳能所垄断，都是生产光学镜头的佼佼者，阿斯麦的镜头来自德国的光学大师卡尔蔡司。

　　目前，全球光刻机技术已发生三次迭代，正迎来第四次迭代。前三次迭代主要集中在光源技术，为适应摩尔定律集成度越来越高的要求，需要光刻用的“刀子”越来越细，也就是说采用的光源波长越来越短，从193纳米到134纳米，再到13.5纳米，目前光源技术已到了很难突破的极限。

　　第一代：1990年前，193纳米的深紫外光刻机。市场主导者：美国的珀金埃尔默和GCA，日本的尼康和佳能，荷兰的阿斯麦。阿斯麦靠着先进的对准系统起家，靠帮助蔡司渡过财务危机赢得密切合作，从而解决了镜头“卡脖子”问题，又靠帮助蔡司用机器人打磨抛光镜片取代对“金手指”的依赖，解决镜头大规模量产问题，从而脱颖而出，并一路赶超。

　　第二代：1990年—2015年，134纳米的浸入式光刻机。市场主导者：荷兰的阿斯麦，日本的尼康和佳能。阿斯麦靠台积电和英特尔浸入式技术的助力，打败日本。

　　第三代：2015年至今，13.5纳米的极紫外光刻机。阿斯麦靠获得美国“极紫外联盟”的光源技术（美国公司已出局，只好在日本和荷兰中选，因领教过丰田汽车的厉害，选阿斯麦），独霸江湖。

　　从目前情况看，超透镜技术将使光刻机加速迭代，出现第四代光刻机——超透镜光刻机。

　　中国在超透镜时代有后发优势

　　其实，我国的光刻机技术起步并不晚，早在1977年就研制出了第一台国产光刻机，和当时世界最先进水平的差距并不大。但是后来，由于信奉“造不如买”，我国的光刻机研发陷入了停滞，直到21世纪初才又重新开始启动。

　　最新消息称，上海微电子将在2021~2022年交付新一代浸入式光刻机，可以生产28纳米制程的芯片。而且，用28纳米光刻机进行多次重复曝光，可以生产7纳米芯片，只不过速度慢一些。目前，中科院表示要带头攻坚光刻机项目，国家也对光刻机研发进行了专项拨款。

　　尤其是2017年1月15日，中国科学院研制的“大连光源”发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子，成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。中科院副院长王恩哥说，这是中国科学院乃至中国又一项具有极高显示度的重大科技成果，装置中90%的仪器设备均由中国自主研发，将大大促进中国在光刻、能源、光学等重要领域研究水平的提升。说明中国已突破光刻机“卡脖子”的极紫外光技术。

　　其实，超透镜如同相控阵雷达，都是由无数个小单元组成，经计算机处理合成成像，原理十分类似。中国有一流的相控阵雷达（如歼20相控阵雷达、航母四面阵雷达），也将有一流的超透镜。

　　在超透镜时代，中国只要搞好战略规划和布局，加之有世界一流的超材料技术、超算技术和人工智能技术的助力（歼-20隐身技术就是先进的超材料技术），又芯片“卡脖子”的紧迫需求，还有举国体制集中力量办大事的优势，中国有希望实现从第二代浸入式光刻机向第四代超透镜光刻机的跨越。