问题：﻿11月29日宣布研制成功的世界首台分辨力最高紫外超分辨光刻装备意味着什么？对国内芯片行业有何影响？ 新闻资讯 军报记者成都11月29日电（吕珍慧、记者邹维荣）国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”29日通过验收，这是我国成功研制出的世界首台分辨…
话题：﻿科技、光学、芯片（集成电路）、激光、光刻机（芯片制程）
回答：﻿感谢与@yswyx等大佬的讨论，这让我这个外行也能略微猜测了一下这次的“超分辨光刻设备”的大致思路。由于有大佬强调不是“直写式”，也不能做任意图样的通用芯片，报道原文又强调光子晶体、光栅、超材料等周期性结构，我就猜测了一个与@霍华德大佬介绍的不同的可能技术路线。既然这条路线似乎可行而实际情况大家也不知道，那我不妨就把我的思路写下来，抛砖引玉，发散思维嘛。首先，这次的光刻设备用到的是“局域表面等离激元共振（LSPR）”。这个术语一看就很不“新手友好”，我之前对此写过一个回答，有兴趣的同学可以参看：等离子体和表面等离子体是什么关系？​www.zhihu.com简言之，“表面等离激元”就是金属表面电子的集体震荡。如果金属颗粒做到纳米级别呢，整个“金属颗粒”基本上就只剩下了个“表面”，所谓的“集体震荡”就变成了整个纳米粒子的电子的集体震荡，如下图所示(fromReviewArticleNanobiosensorsBasedonLocalizedSurfacePlasmonResonanceforBiomarkerDetection)：LSPR你可以看到在电场作用下这个纳米金属粒子里的电子云的整体震荡非常大，都已经超出金属边界了。这个东西在化学上很有用。先不考虑逸出边界的电子会带来怎样的化学反应，只考虑电场。假如入射电场（也就是入射光）的频率与电子震荡的本征频率不符合，那么这个“表面等离激元”也很微弱，对空间中整个电场的分布就没什么影响。但是，一旦纳米粒子中的电子震荡的本征频率与入射电场的频率接近，电子震荡的幅度就可能被大大加强，也就是传说中的“共振(Resonance)”！这个“表面等离激元共振”带来的结果就是：共振所到之处，寸草不生，电场强度极大增加，甚至可达入射电场强度的倍！很多光物理过程，比如拉曼、荧光，都与入射电场强度密切相关。假如你把拉曼光谱活性分子放到金属纳米粒子旁边，再来个“表面等离激元共振”，这简直就是在分子旁边开了一个闪光灯，拉曼光谱看得清清楚楚。这个过程就叫做“表面增强拉曼光谱（SERS）”，是这一效应在化学中最早、最著名的应用之一。刚才我强调了“表面等离激元共振”带来的电场增强，这在化学上很有用。而纳米颗粒上的“表面等离激元共振”与光刻相关的另一特点就是，它的“共振”非常局域化，电子云无论如何都只能离开纳米粒子（直径往往只有几个纳米）一点点。在金属纳米粒子外面，电场增强的幅度便呈指数下降，在远小于光学波长衍射极限的就已经衰减没了，整体来看，就是“局域表面等离激元共振（LSPR）”。化学家有时往往不大喜欢这么“局域”的增强，毕竟能落到这么小的区域的分子不多，很多情况下表面相与体相的比例也很小；但是换个角度看，入射光的能量原来是分散在整个入射平面上的，现在通过LSPR，只在非常局部的区域电场极大的增强了，这相当于“把血液能量集中到一处”，这就是超分辨、超衍射极限的聚焦了啊！理解了以上两点之后，我们就可以推测这个光刻设备是怎样工作的了。首先这个“局域表面等离激元共振（LSPR）”本身就需要纳米结构，所以它应该在镜头上形成而不是硅片上形成。进一步为了确保曝光的时候硅片只接触到经过LSPR增强的电场（倏逝波）而不是整个硅片上的光刻胶都曝光了，我们可以用全反射把多余的光反射回去（当然由于LSPR增强很大，也可能不一定非要全反射）。也就是说，我们可能首先要用光刻或者电子束在镀了一层金属薄膜的平面镜头上“雕刻”出可以形成LSPR的纳米图样，如下图所示：雕刻纳米图样然后我们用365nm的汞灯（日光灯、节能灯去掉荧光粉，就是一个参数很烂的汞灯）照射，就形成了多个近似独立的LSPR，如图形成LSPR最后，我们把涂了光刻胶的硅片“盖”到“镜头”上，镜头表面的纳米图样就被“转印”到光刻胶上了，大概是这样的。黑色的部分代表曝过光了的光刻胶。曝光与转印之后的步骤大概就跟普通的光刻没什么区别了。整个过程让你想到了什么？反正我觉得，这就是新时代的（纳米级）雕版印刷啊。为了刻22纳米分辨率的硅片，你首先要刻一个也是22纳米分辨率的“镜头”（当然镜头可以用电子束，很容易做到高精度）。只不过在“印刷”的时候我们用LSPR代替了墨汁来“印”。也许你觉得“雕版印刷”中国人早就玩得很溜了，什么图案都能雕，那LSPR纳米雕版也应该什么芯片都能“印”。实际上，从原理来看就并非如此。我们之前强调了，必须是“纳米粒子中的电子震荡的本征频率与入射电场的频率接近”，电子震荡的幅度才可能被大大加强，也才能形成LSPR。这样一来就对纳米金属的“雕版”图样提出了很高的要求，假如图样无法共振，就没法“把血液能量集中到一处”，就不能“聚焦”，就无法“转印”。实际上除了规则排列的纳米点阵等少数图样外，人们对什么样的图样才能形成LSPR了解的还很少。LSPR的图样（或者说“电场强度分布”）和它所依赖的纳米金属图样往往并不一致。给定一个纳米金属图样（“雕版”），我们基本上只能用FDTD等计算电磁学工具来计算出它的LSPR图样（或者说“电场强度分布”）。以“雕版印刷”来比喻，就是我们雕的版不是木板、石板，而是类似果冻、肉皮冻，不仅晃晃悠悠，还可能溶于水。你把墨水往果冻版、肉皮冻版上一涂，再往纸上一印，出来的图案可能完全不是你雕刻的图案。呃，有点像这个视频里的那个Q弹Q弹的转印胶头：碗上印花就是这样来的！_腾讯视频​v.qq.com想像一下，如果你需要用视频里的碗状胶头做成“碗状雕版”，然后再印到平面上……也许有人会说，既然我们能通过FDTD等方法计算出一个纳米金属图样（“纳米雕版”）的LSPR图样（或者说是“电场强度分布”），那么如果我们知道了需要的LSPR图样，用FDTD“反过来”计算一下这个纳米雕版的图样不就行了嘛？顶多多试几次啊。呃……这一对“问题/反问题”就像"Pvs.NP"以及“你快帮我算一个XX性质的分子出来”等计算机以及计算化学的终极问题一样，是典型的“验证”不等于“求解”的问题。如同“P”是“多项式时间可以确定求解的问题”，而“NP”则是“多项式时间内可以验证答案是否正确的问题”一样，“已知纳米雕版图样求LSPR图样”是可以用FDTD在有限时间内“求解”的，而“已知LSPR图样求纳米雕版图样”现在则只是用FDTD可以在有限时间内“验证”的。如果你问什么时候可以制造任意图样的芯片，那就好比问“人类什么时候解决‘Pvs.NP’”一样，甚至要更难，我只能回答一句“无可奉告”。假如你一定要问，我也只能说，解决这个问题还是要按照基本法发展新算法，来直接解决而不是“验证”——虽然目前人们似乎并没有任何思路。当然了，现在机器学习这么火热，通过大量计算和试验生成大量对应的图样，暴力拟合一把（有点像GAN？），说不定也许就搞成了？通过以上的推演，我们就可以对这次的装备有了那么一点稍微“非感性”的认识了。我们随便想一下就可以想出非常多的工程问题（我上面画的图也全部是卡通示意图，与实际情况可能完全不符合），所以能搞出一台实用化的纳米级雕版印刷设备，确实是很厉害的工程成就。但是，如你所知，主流的光刻机都是“照相机”式的，相比而言基本上不存在对硅片图样的限制，更搞精度的光刻也有比较清晰的路线图；而这次的光刻设备往通用芯片方向做，从原理上就还缺乏明确的路线图。所以，目前的这个设备确实还只能用在某些非常特定且小众且(niche)的市场中。有些人觉得ASML因为这个机器就向中国解禁光刻机了，这就有点……想多了。