光刻机比原子弹还稀有，全球仅2个国家掌握其技术，制造它太难了

显示全部楼层 · 2023-3-7 07:23:46

1964年10月，罗布泊核试验场上空腾起了一朵巨大的蘑菇云，这正是中国首枚原子弹试爆成功的壮观场面。在全世界国家里，中国的核武器研发速度是最快的，从立项到试爆成功仅用了不到5年时间。

由此可见，中国人的科研能力在世界范围内都属于一流水平。

核武器爆炸的蘑菇云

然而在半个多世纪后，有一个工业项目卡住了中国的脖子，耗时多年却始终无法自主生产，它就是EUV光刻机。

目前有能力制造核武器的国家已经有9个之多，但有能力制造EUV光刻机的国家却只有2个，因此在某种程度上，EUV光刻机技术是比核武器还要稀有的存在。
光刻机在高科技领域的意义

自上世纪90年以来，人类已经进入信息化时代，而且眼下还具备朝智能化时代过渡的趋势。而在这个过程中，高性能芯片无疑是必不可少的核心部件，它相当于“万物互联”的大脑，赋予了各种信息化产品运算和处理命令的能力。

因此，若一个国家能够掌握制造高性能芯片的技术，它就能在信息化浪潮带来的第四次工业革命中占据潮头的位置。

高性能芯片

而光刻机就是生产芯片的关键设备。在芯片的生产流程中，它需要去除原始晶圆表面覆盖的保护膜，并通过高精度激光投射装备将设计好的电路图形“铭刻”在不足指甲盖大小的晶圆上，这一过程对加工工艺的精度要求达到了纳米级。

如果精度达不到要求，那么生产出的芯片轻则性能达不到设计指标，重则直接变为工业废品。

光刻机生产芯片

在EUV光刻机问世前，世界主流水平使用的是DUV光刻机，其发射的短波紫外线波长为193纳米。但荷兰ASML公司于2015年前后研发出了加工精度更高的EUV光刻机，将原本的短波紫外线升级为深紫外线，波长缩短至13.5纳米。

凭借大大提升的加工精度，EUV光刻机可以生产制程13纳米以下的高性能芯片，这是过去DUV光刻机力不能及的领域。

EUV光刻机工作场景

截至目前，荷兰与日本是唯二具备光刻机制造能力的国家，尤其是荷兰的ASML公司，在光刻机领域是无可置疑的科技巨头。

而且据荷兰ASML公司高管表示，实际上EUV光刻机里有90%的零部件都来源于全球各大科技巨头公司，例如光源来自于美国Cymer公司，光学部件来源于德国老牌镜头企业蔡司，精度控制系统来源于美国世德科技集团……

因此从某种意义而言，任何单一的国家与企业眼下都不具备独立生产光刻机的能力，它本质上是一个国际产业链的合作项目。

ASML公司的光刻机产品

制造光刻机的技术难度

那么，生产光刻机的技术难度究竟有哪些？以至于需要集中全球各大科技巨头的携手合作才能顺利制造？

EUV光刻机

首先就是光刻机最重要的核心功能——光源铭刻，这意味着光刻机需要一款精度达到纳米级的激光发射器，目前唯有美国Cymer公司具备生产深紫外线光源的能力。

而Cymer公司实现13纳米深紫外线的原理并不复杂，其实就是让原本的193纳米紫外线以每秒5万次的频率不断轰击滴落的金属锡滴液，最终得到波长更短的13纳米深紫外线。

光源铭刻

原理虽然不复杂，但具体操作的难度可谓难如登天。由于每一滴金属锡滴液的直径不到20微米，而且还要以每秒5万次的频率准确轰击这些金属锡滴液，这对光源的发射精确程度提出了极为严苛的要求。

举例来讲，这相当于在地球上不断射击在月球上飞驰的F1赛车，而且每次射击都不能落空，频率也需要达到每秒5万次。

ASML光刻机产品

其次就是光刻机的工作台精度问题。在芯片制造中，光刻机的铭刻工序并非一次性完成，为了尽可能达到最好的性能水平，许多高性能芯片实际上都采用了重叠构层设计，以便容纳更多的晶体管。

因此，光刻机需要在工作台上多次曝光、多次对准来生产高性能芯片，但每次曝光原始晶圆时都必须确保它们与最初的位置丝毫不差，否则前面的铭刻就功亏一篑了。

光刻机生产芯片

最后就是光刻机的苛刻工作环境。

一方面，由于光刻机的铭刻工序需要不间断地运用高能激光，因此这意味着它的能耗比一般的光学发射器大得多，每小时耗电超过150度；

另一方面，整个光刻机的工作环境必须做到绝对无尘化，否则即使是一颗微小至不可见的空气尘埃都会对芯片生产带来灾难性影响。

光刻机生产场景

实际上，以上仅仅是光刻机生产的几个主要难点。除此之外，光刻机的光反应释放气体、EUV带来的侵蚀作用、芯片良品率的控制都是光刻机领域的技术难点。从以上介绍中，我们大体上可以体会制造光刻机的难度究竟有多么夸张。
总结

综合来看，制造光刻机的原理本身并不复杂，甚至国内大学教科书上都能看到具体的原理介绍。但它的难点就在于具体实践，也就是对高科技产业的工艺精度具有过于严苛的要求。

ASML公司生产的光刻机

作为对比，原子弹本身的技术难点在于知晓核武器原理，但它对加工精度的要求并不算过分，即使是朝鲜、巴基斯坦这样的第三世界国家都能加工制造。因此，拿制造原子弹的难度来对比光刻机是不合理的，两者的难度差距不在一个等级。

天籁王者铣 · 2023-3-7 11:50:23

目前，全世界能制造光刻机的国家至少有十个，五常、日本、德国、荷兰、以色列、瑞典。能制造高端EUV光刻机的只有荷兰，但是，荷兰也不能单独制造光刻机，核心部件镜头需要德国提供，光学部件需要美国提供。我国目前也在积极的追赶，已经可以制造23纳米制程的芯片，相信用不了多久，我国将拥有高端光刻机制造的全套技术，成为真正的世界第一。