最近，科技界有一条消息刷屏：是美国的一家科技公司（Zyvex Labs），在9月21号宣布推出了目前世界上分辨率最高的电子束光刻设备（ZyveLitho1）。这款设备可以以约0.8纳米的分辨率，对硅片进行加工。要知道，台积电在上个月才宣布，到2025年才能量产2纳米工艺芯片。这家公司一下子就把光刻设备拉到了0.8纳米，听起来确实很令人惊讶。
而且你要知道，台积电的2纳米，和这台设备的0.8纳米，完全不是一个概念。台积电的2纳米，只是一个工艺代号，并不是说使用这个工艺加工出来的晶体管最小尺寸只有2纳米。事实上，从目前披露的信息来看，即便是采用了极紫外光刻机（EUV），台积电的2纳米工艺晶体管的最小结构尺寸也有10纳米左右。而这次美国公司Zyvex Labs声称的0.8纳米，是一个实实在在的设备性能指标，它确实表示，用这台电子束光刻设备加工出来的芯片最小尺寸可以达到0.8纳米。
听到这里，你肯定会感叹，这种电子束光刻设备也太厉害了，它是不是可以直接取代目前最先进的极紫外光刻机呢？先别激动，这种电子束光刻设备并不是传统意义上的光刻机，它目前还不能用于芯片的批量生产。
你知道，光刻机其实可以理解成一种非常精密的投影仪。投影仪的灯泡，就是光刻机的光源；被投射出去带图案的幻灯片，就是芯片制造时需要用的掩模板；而投影的幕布，就是我们需要加工的硅片。硅片上涂了光刻胶，被光照射到的地方光刻胶就被溶解掉。于是加工出各种各样的芯片结构。
如果把投影出去的光想象成一把刻刀的话，那么，光的波长越短，这把刻刀就越锋利，能够加工出来的芯片结构就越精细。光线投影能够实现的最精细的图像分辨率，跟它所使用的光的波长差不多。比如现在最先进的极紫外光刻机（EUV），使用的是一种波长只有13.5纳米的极紫外光，它能够实现的分辨率也就是13纳米左右。当然，你可能听说过，通过浸润式光刻、多重曝光等技术，能够稍微突破一下这个分辨率限制，但基本也不会比光的波长精细太多。
实际上，每一次光刻机的重大迭代，都跟光源突破有关。上一代的深紫外光刻机（DUV），使用的是波长为193纳米的深紫外光，科学家足足用了20年时间才突破了波长更短的极紫外光。而下一代光刻机，科学家必须找到比极紫外光更短波长的光源，这非常困难。不过，有一个现成的东西可以作为光的替代品——那就是电子。
高中物理课上我们都学过一个概念，叫“波粒二象性”，也就是，实物粒子其实也有对应的波长。如果把电子当作波来看待的话，它对应的波长约为零点零几纳米。如果把电子当作光来投影做成光刻机的话，那分辨率可就高多了呀！其实，科学家早就想到了这个思路，他们早在1990年代就制作出了第一代电子束光刻设备，可以实现差不多20纳米的分辨率。
你肯定会问了：为什么电子束光刻设备出现得这么早，但直到今天都没有应用于芯片的批量加工呢？这是因为，电子束光刻虽然精度高，却有一个致命的弱点，就是加工速度非常慢。电子和光子不同，电子之间有明显的相互排斥力。电子束光刻很难像光刻机那样，用很多光子一下把整个硅片都“照亮”。如果一次性放出的电子太多，电子之间就会由于相互排斥，导致成像紊乱。
于是，电子束光刻设备，只能用“涓涓细流”的电子，一点一点地照射硅片。真的如同一把“刻刀”，在硅片上一小块一小块地刻出图案。相比起来，光刻机就像印刷一样，能够一次性把图案铺满整个硅片，加工效率简直是天壤之别。所以说，很多新闻报道里，用这次发布的0.8纳米的电子束光刻设备来对比荷兰阿斯麦的极紫外光刻机，其实是有点文不对题。
这样说来，这个听起来很牛的电子束光刻设备是不是就没啥实际用途呢？其实，电子束光刻虽然没有办法用来大规模生产芯片，但它在芯片加工里也有非常重要的作用。
首先，电子束光刻是现在用来加工掩模板的最主要手段之一。前面我们提过，掩模板就是光刻机用来在硅片上形成投影的那张“幻灯片”，是芯片光刻的“模具”。它对于芯片生产的重要性，就如同雕版印刷中使用的雕版一样，是芯片每一道工艺参考的图案基准。除了加工掩模板，电子束光刻在量子计算芯片、超表面芯片等前沿黑科技的样品加工上，也有不可替代的作用，是实验室必不可少的科研设备。
我们再说回到极紫外光刻机，下一代光源突破会是什么呢？目前荷兰阿斯麦公司是利用金属液滴产生极紫外光，而就在去年，清华大学有了一项突破性成果，通过操控电子束的高速振动，来产生高能量的紫外辐射，从而获得波长只有几纳米、功率高达几百瓦的高质量极紫外光。这种技术被称为“稳态微聚束光源”，这是下一代光刻机光源的有力竞争者，有可能成为国产光刻机弯道超车的契机。