兵进光刻机，中国芯片血勇突围战

中学课本上有一篇文章叫《核舟记》，讲述了古人在桃核上刻出苏轼泛舟赤壁图的奇巧技艺。

几百年后，半导体产业已经将这种细微处创造天地的技艺发展到超乎想象的境地。

本文要说的，就是让半导体真正能够妙至颠毫的工具，也是人类工业最伟大的发明之一……

一、引子

从1947年美国贝尔实验室里诞生的点接触型的锗晶体管开始，芯片半导体产业迅猛发展，如今已精密到在一粒米上刻下整部《红楼梦》不成问题。

在此之前，行业里主流的光刻机使用的是DUV深紫外光源。深紫外光源就是波长短于300nm的紫外光线，主要使用的是KrF和ArF两个波段，他们制造40nm制程以下半导体已经比较吃力了。

但是科技厂商们发挥聪明才智，一直让DUV的支持延续到了10nm甚至7nm（也就是所谓的第一代7nm工艺），但是再往下，DUV就真Hold不住了，只能使用波长为13nm左右的EUV极紫外光线。

我们知道，工艺制程越小，技术挑战的难度就越高，当工艺制程小于10nm的时候，逼进物理极限，摩尔定律也面临失效，这种极限挑战下，需要投入的技术资源以及研发资金是不可想象的，全球其实没有多少家半导体企业能支撑。

而当今世界，唯一能够造出EUV极紫外光刻机的，就是ASML。所以它被人们誉为“摩尔定律的拯救者”。

六、EUV光刻机，到底难在哪里？

可能有OZABC小伙伴会问：为什么只有ASML能造出EUV光刻机呢？这个EUV光刻机到底难在哪里？

我们首先需要明白EUV光刻机的工作原理。当然，细节极度复杂，汐元尽量用简单的话讲清楚。

上一节我们讲过，光刻这部分原理其实很简单，就是让光透过写有电路图的多层光罩，将电路图显影在晶圆上。

▲再看一遍这个图

所以有两个关键点，一个是光源，一个是光罩。

极紫外光源怎么产生？方法不止一种，ASML的办法是，用强烈的雷射光两次轰击“锡液滴”，就可以产生波长13.5nm的极紫外光。

▲轰击锡液滴

然后，利用复杂的光学结构将极紫外光变成极紫外光雷射。

具体的方法大家不用了解，涉及高端的化学知识和光学知识。

变成的雷射光还要经过一段复杂的照明光学系统，目的是将雷射光整形成需要的样子，然后通过光罩来成像。

▲图自ASML官方

这里有一点，前面我们说的，过去的光刻机是光线穿透光罩成像，像幻灯机一样。

但是极紫外光不一样，它很脆弱，会被光罩的材料吸收。这是个难点，对光学系统的要求极高。

为了避免极紫外光被吸收，EUV光刻机中，必须使用反射式光罩来成像。

EUV光刻机的原理基本就是这样。说起来简单，但实际有很多难点：

首先，如何让雷射准确击中锡液滴？而且是前脉冲和主脉冲能够击中锡液滴2次，同时每秒钟击50000次。怎么样，吓人吧。

再就是刚才说的，EUV光产生后，还需要经过复杂的光学系统，怎么样让光不被光学镜片吸收，保证转换效率？这需要极端强大的光学技术支持。

还有一个问题是电源，目前的电源无法产生足够的功率让EUV大幅度提高效率。

然后，还有光刻胶光阻的敏感度、光子散射噪音引起的随机现象等，都是EUV光刻机面临的问题。

有数据说，每台EUV光刻机有超过10万个零件、3千条电线、4万个螺栓、2公里长的软管等零组件，最大重量达180公吨。

制造难度可想而知。

这样一台光刻机多少钱呢？

根据媒体报道，此前中芯国际订购的EUV光刻机是1.2亿欧元，相当于人民币9亿多元，而先进的EUV光刻机可以达到1.5亿美元，约合人民币10亿元！这比美国第四代战斗机F35的价格还贵！

而这，是ASML能够崛起的原因，也是我们想要实现追赶的唯一途径。

参考

• oFweek，2019-05-25，《中芯国际美国退市是怎么回事？为什么中芯国际美国退市？》

• 金捷幡，2019-05-06，《光刻机之战》

• 观察者网，2019-01-07 ，《40年前中国就能造光刻机？真是“开局一张图.....”》

• 澎湃新闻，2020-01-15，《国产光刻机的现状》

• 台积电官方资料，2017-06-08，《认识晶圆的制造过程》

• 洁净工程联盟 ，2016-11-24，《EUV光刻究竟难在哪里？看完本文你就明白了 》

• 天下网商，2020-01-09，《14nm芯片面临断供，7nm芯片遭大幅砍单，华为迎来最难一关》

• 摩尔芯闻，2019-01-05，《国产光刻机水平究竟如何？》

• 科技日报，2018-12-03，《国产22纳米光刻机治不了咱们的“芯”病！》