光刻机是芯片制造中必不可少的精密设备。其难度甚至超过航空发动机。

　　光刻机可以说每个部件都是科技含量很高，步步困难重重。

　　瓶颈主要集中在透镜、掩膜版、光源、能量控制器等。

　　下面简单单介绍光刻机的结构和工作原理：

　　光刻机的光源有：激光，紫外光、深紫外光、极紫外光。现在最先进技术是极紫外光。

　　下图是以激光为光源的光刻机简易工作原理图：

　　在制造芯片时，首先在晶圆（硅晶片）表面涂光感胶，再用光线透过掩模版（相当于芯片电路图纸的底片）照射硅片表面，被光线照射到的光感胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射或者未被照射的胶，电路图就印到硅片上。

　　此过程相当于木匠施工用墨斗放样、划线。

　　硅片上有了电路图的图样后，就轮到刻蚀机登场，刻蚀机相当于木匠的锯子、斧头、凿子、刨子。刻蚀机按图施工，在硅片表面雕刻出晶体管和电路。

　　芯片主要是精度要求高。纳米精度是什么概念呢？是我们肉眼无法分辨的，大概相当于一根头发丝的5000分之一纳米细小。

　　光刻机几个关键部件：

　　光源：必须稳定、高质量地提供指定波长的光束。

　　能量控制器：就是电源。电源要稳定、功率要足够大，否则光源发生器没办法稳定工作。大、稳、同时要考虑经济性能。耗电太高，客户就用不起。

　　掩膜版：通俗点理解，相当于过去用胶片冲洗照片时的底片。底片如果精度不够，是洗不出来高精度照片的。光刻机施工前，要根据设计好的芯片电路图制作掩膜板。掩膜板材质是石英玻璃，玻璃上有金属铬和感光胶。通过激光在金属铬上绘制电路图。精度要求非常高。

　　透镜：用透镜的光学原理，将掩膜版上的电路图按比例缩小，再用光源映射的硅片上。光在多次投射中会产生光学误差。要控制这个误差。精度要求很高。

　　就是测量台移动的控制器，也是纳米级精度，要求超高。

　　荷兰的ASML公司垄断了高端光刻机。但其透镜来自德国的蔡司，自己也做不了。光源是美国的Cymer。所以说它也不是完全技术独立。主要是技术难度太大。

　　光刻机由于技术难度大，研发资金投入巨大，以至于佳能和索尼都亏损严重，已经停止研发，退出未来技术的竞争。

　　荷兰的ASML，为了筹集资金，同时也是进行上下游利益捆绑，研发风险共担，邀请英特尔、三星和台积电出资，做自己的大股东。ASML实际上是美、日、韩、德等共同投资的项目，资金充裕。

　　中国也在此方面有长期投入，但投入水平和不能和多国合作同日而语。中国有相对宽裕的研发资金，也才是最近7、8年的事情，而光刻机的研发，10年都显然不够。

　　我们能不能也参与到荷兰的ASML的研发中呢？是不行的。因为发达国家之间，由美国牵头，搞了个《瓦森纳协定》，专门对中国进行技术禁运，技术封锁的。我们也买不到荷兰的ASML最新的光刻机，更别说参股和技术合作了。

　　目前我们还在追赶，量产的是上海微电子的90纳米的，离ASML的10 纳米的差距很大。下一步，随着长春光机所的极紫外光技术的突破，有望冲击22-32纳米的技术。那时荷兰可能进入7纳米时代。虽然和7纳米还有很大差距，但如果能实现，进步也是惊人的。如果能做出量产型，就是世界第二的水平了。

　　中兴事件，提高了国人对技术自主的关注，相信未来会更加注重投入。只要努力，就有希望。

　　让我们为默默奋斗在一线的科研人员致敬！

　　

你可以把光刻机想象成一台巨大的照相机，它的作用是把一套非常复杂、有着几十亿条线路的图像给拍摄到一张非常小的底片上。

 

　　光刻机对晶圆的光刻是芯片生产中最复杂、最关键、耗时最长、成本最高的步骤，其原理图如下图所示，简单来说，你需要光源、被照射的物体【掩膜】、透镜、底片【晶圆】。

　　现在最先进的光源是极紫外光光源，要知道这个光源可不是随便谁那个手电筒一照就算是光源了，而是要求这束光有很高的能量，并且还要求光源频率稳定、能量均匀、平行度高，等等，所以需要及其复杂的结构来产生、调整光源，产生的光需要经过光束矫正器、能量控制器、光束形状设置、遮光器等一系列的机构。下图就是光刻机里面最先进的能够产生极紫外光的光源了，其复杂程度可见一斑。

　　这部分系统由掩膜版和掩膜台组成。

　　掩膜版就是承载着芯片线路设计图的玻璃板，能够把这么复杂的电路给缩小到玻璃中，难度可想而知有多高。现在市场上的报价贵的要几十万美元。

　　而掩膜台是安放掩膜版的地方，这可不是随便找个地方把掩膜版一放就行的。就好像人在拍照的时候不能乱动，不然很容易拍糊了一样，掩膜版的位置必须要十分精确。为了保证掩膜版的位置及其精确，需要一整套复杂的系统来控制它的运动，保证达到纳米级的精度。

　　所有搞摄影的人都知道，相机不贵，贵的是镜头。而为了保证成像的光能够在传播过程中不发生变形，光刻机的“镜头”可是个复杂的大家伙，是由世界上最顶级的光学仪器制造商蔡司负责设计制造的。

　　下图就是光刻机的透镜系统，这庞大的体积、中间层层叠叠的镜片，是不是相比之下，什么“大三元”镜头都弱爆了？

　　这块地方也是需要精确的运动控制的，而且像ASML生产的光刻机可以在一片晶圆曝光的时候，检测另一片晶圆，所以效率非常高。

　　因为光刻的过程，对光线的精度控制要在纳米级，所以工作台即便是最微小的振动对于光刻来说都是致命性的。因此整个光刻系统都是放置在一个减振器上，这个减振器可以把外界的振动降到最低。

　　从上面的介绍可以看出，光刻的每一个步骤、每一个零件对于人类科技来说都是巨大的挑战，对光学、材料、控制、电子、机械、化学等等学科的要求都是极高的，而要把这所有的科学技术集中到这么一台机器上，其难度可想而知。

　　如下图所示，就是ASML的光刻机，这样的光刻机一台就要一亿美元，而且就是这么贵的价格还不是你想买就能买到的。

　　这次美国对中兴的制裁，确实让中国感到了“芯”痛！

　　中兴没有“芯”，美国一制裁，自然就“心”被挖走了一样，董事长说，美国的制裁让中兴立马处于休克状态，我觉得这个一点也不假！

　　难道中国对无芯的工业不感到焦虑吗？不是的，确实，要造一颗芯，在中国的工业水平不高，国外禁运的前提下，要造出他确实不容易。

　　芯片这个产品，要造出它，需要设计、制造、封装、测试等一系列的产业链，在这方面，就连世界唯一超级大国美国的一些零部件也需要欧洲日本进口，作为中国来说，工业起步比他们要晚，自然难度就更大了。

　　光刻机是制造芯片的一个核心的机械，所谓的光刻，其实也就是类似于木工的木斗，类似工业放样的角色。

　　目前，光刻机市场基本上是阿斯麦(ASML）垄断了80%以上的高端份额，也就是说，45nm以下的市场，基本就是它独步江湖了。但这个企业没在美国，而是在荷兰，是原来老牌的电子企业飞利浦旗下的企业。

　　光刻机是一个非常综合化的机械设备，牵涉到光机电等一系列的基础科学，美国尚且不能造出很好的产品，它也只能通过Intel等企业去投资这个企业，以获得优先的供货权利。

　　在中国，其实也能造出光刻机来，只是精度差一些罢了，这个企业叫上海微电子，要是上市，我估计现在它肯定涨爆了。

　　因此，光刻机造不出来，只是我国工业发展水平离欧美日还有差距而已，假以时日，造光刻机会如同造螺丝刀一样方便的。

　　芯片产业是技术极为重要的高科技行业，而光刻机是芯片产业的上游，可以说光刻机决定了芯片产业的发展，因此光刻机的科技研发难度远远大于芯片领域。现在光刻机领域被荷兰的ASML公司掌控，占据了全球80%以上的高端光刻机的市场份额，在这个领域我国几乎是一片空白。

　　光刻机制作到底有多难呢？

　　光刻机的技术非常的难，可以说光刻机是一群高科技产物的组合，每个部位都需要极大的技术，任何一块缺烧都不行。光刻机的瓶颈主要集中在透镜、掩膜版、光源、能量控制。

　　光刻机是制作芯片的主要工具，而芯片现在已经到了7nm的水平，而光刻机就是要制作出7nm的芯片，以光的形势把数据烧到芯片上，由此可见有多难。而1nm到底有多少呢？大概相当于一根头发丝的1/5000这点大小。

　　而且光刻机每个部分硬件同样非常困难，所以ASML公司的硬件都是采购外部公司，ASML光刻机的其透镜来自德国的蔡司，光源来自美国的Cymer。ASML则做组合和研发。

　　光刻机需要巨大的资金投入，所以光刻机市场只有ASML在顶部，而佳能和索尼全部都高额亏损了，只能退出。

　　ASML在2022年整个研发投入是97亿元，这已经是它连续40余年的投入了，算下来至少投入了4000亿以上。

　　而且荷兰的ASML，为了筹集资金，要求所有购买ASML光刻机的厂商必须要入口ASML，就是为了方便筹措资金，进行上下游利益捆绑，英特尔、三星和台积电都是他的投资公司。

　　目前ASML的水平已经到了7nm水平，而我国远远落后，有多落后呢？上海微电子的90纳nm，差距非常非常巨大，还需要很长时间才能追赶。

　　简单说，就是难在精密度上。因为一台好的光刻机要在nm级个位数。也就是10nm以内。

　　上海产的光刻机能达到90nm，现在的高水平是7nm，在nm级别上玩产品，是对一个国家综合能力的体现，一台好的光刻机需要很多领域的精密制造和精密控制。

　　十年树木，百年树人。真正的突破制少要三代人的真正努力。

　　所谓的弯路超车如同掩耳盗铃，仿造和研发所用时间是不一样的，十年树木，百年树人。

　　光刻机，

　　关键是精度，精细度。粗放原理中国也会，但想进一步做精细就要真功夫了。

　　其实破解光刻机难题，有几大块，

　　让我们一起分析。

　　1是芯片电路设计，

　　2是算法引导的电路改良(汉语拼音逻辑编程推动的算法电路改良

　　3是光路原理设计

　　4是光源设计

　　5是平台台架设计和材料

　　5是底片

　　6是硅晶片

　　7是客户市场生态

　　也许还有8，9，10，11…

　　芯片电路，说白了就是与门，或门，非门，并联，串联，串并变联

　　做出一些功能电路小单元，再依照软件编程函数逻辑的需要，联接成集成电路，再不断地缩印，排列，缩印，排列，最后把数亿个小单元集成刻印在一小块硅晶片上，

　　在这个大流程中每一个环节的革新与进步，都会大大推动最后芯片的水准。

　　水准包括算力和算效，体积，能耗，寿命，生产成本，使用成本。

　　算力与算效是两码事儿

　　算一万次1+1是算力，得出等于1万是算效。

　　人类算100X100其实头脑中只算了几次。而计算机暴力运算了上万次

　　人类计算2^(100^100)其实没算多少次。

　　计算LogaN其实也没算几次。如果以计算机暴力运算算出的乘法表，对数表，函数表，平方表，开方表，做成数据库，

　　矩阵数据库，

　　计算机的机器运算就可以大大简化，同等算力下，算效翻翻。

　　因为实际电路层面的物理行为少了，速度会大大提高，能耗会大大降低，散热设备也会减负。

　　如果一种函数名，配置一个专属数据库(小矩阵数据库)，那巨量运算就简化成了简单读取。

　　这样设计出来的芯片电路算效翻翻，而算力占用不大。能耗也低。

　　再说光源光路设计。激光聚焦焦点要清晰，光源频率，波长，要稳定，波长要更短，光刀才细，

　　焦距要长短(深浅)合适，位置才准，能量不能太低，也不能过高，过高会把底片烧胡，

　　其实底片不一定非要比芯片更细少，可以用光路缩刻，7nm的芯片5nm的芯片，并不需要非得7nm的底片。

　　光路设计合理，20nm的底片一样可以缩刻5nm的芯片。

　　所以芯片技术虽难，但却是个唬人的难度。为的就是技术垄断。这座高不可攀的高山根本三分之二是假的。只有三分之一的难度是真的。

　　再说设备材料。

　　设备的精度不仅取决于设计，加工精度，也取决于材料，

　　镜头的材质，机床钢材的材质，膨胀率，内部变形应力，都会影响光刻机精度。

　　同样的设计，同样的车工，新钢材应力未褪，加工出来的机床架精度会因变形而失准。放置经年的老钢材，慢加工，应力变形就可基本消除。

　　同样的优质机床钢，多存几份，存放一两年，放成老料，再做光刻机，精度就上去了。

　　再说市场生态圈，这个与技术无关，是商业布局的问题。

　　其实中国有的是硅晶片，这需要的是耐心。可以先干短线的设计，耐心等待材料应力，心急吃不了热豆腐。

　　对于光学显微镜调焦距，镜筒大一点圆周度分更细，焦距也更细致。

　　别太死心眼。

　　要说为什么光刻机难以制作，我们先来了解下背景。

　　近几年来，随着以美国为首的西方国家与中国贸易关系逐渐恶化，国内一些高精尖技术行业暴露出越来越多的问题，而西方对光刻机的垄断就属于其中之一。

　　首先我们下面几个点切入今天的问题：

　　首先，我们需要先弄明白光刻机是做什么的。

　　顾名思义就是指通过光学手段将石英掩膜板上的电路图案投影到涂满光刻胶的硅片或面板上，然后经过药液清洗掉与光发生化学反应的光刻胶（这里特指正性胶），这个过程相当于在基底上临时构建了器件或电路结构。

　　这里为什么叫临时构建，因为在经过光刻后，后续还需要刻蚀机对没有光刻胶覆盖的下膜层进行真正意义的刻蚀从而形成电路器件，所以光刻这一步相当于是“领路”，告诉刻蚀机哪里可以刻，哪里不能刻。

　　目前行业内的一台高端扫描式投影式光刻机光是单价就高达1亿美金，其中单是零部件数量就高达上万个，这里面涉及到的精工制造可以说是集全球之大成，我们称之为“工业之花”并不为过！

　　光刻机因其工作原理，大致由照明系统（IU）、掩膜板\\硅片Scan机台、Lens投影系统、自动多位、减震系统、环境温湿度循环系统等等等等精密单元构成。

　　比如说照明系统，其中的光源，由于工艺需求，且不说体积大小，要做到功率足够高、稳定性强就是一大难度。光源有了，我们再谈对光源的调控能力，从某种意义上说光是一种能量，那么对能量的均一性及其强度又是另一座大山，当然国内也能做出，但是其性能就远远不如国外。

　　在半导体行业，面板光刻机工艺精度通常为微米级，而晶圆生产工艺的精度更是nm级。这个量级，远远超出了人眼光学分辨的能力，几乎是一千分之一头发丝大小。

　　所以在这个过程中，设备不论是光学系统的成像投影还是扫描过程中的对位补偿等等，这些都是需要设备在硬件和软件算法上有极高造诣。

　　目前，市面上最先进的光刻机为ASML的5nm工艺的极紫外光刻机，而国内光刻机制造商代表上海微电子（SMEE）也实现了90nm的光刻机制作。

　　虽然国外有《瓦森纳协议》对我们进行技术禁运，但对于光刻机国内从无到有，还是值得肯定的。

　　对于这种光刻机高精尖的技术，并不是所谓的国外的月亮更圆一些，我们需要承认国内与国外的差距事实。从本质上说，这些都是技术迭代的差距累计形成的，可能一些实验室理论性单东西已经研究出来了，但是从实验室走到量产线上仍需要走很长的路。

　　吾辈自强！！！

　　光刻机无疑是难以制作的。肯定可以说，更难以制作，但发展到今天，应该说制作光刻机在事实上已经不再是个难事，在全球，高中低端的光刻机都有了嘛，荷兰全有，日本既有低端的又有中端的，我国较早前就有了低端的，尽管一共就这么几个国家。既然、即便如此，为什么还是说、总强调难以制作呢？！

　　之所以说光刻机难以制作一定是因为制作技术难以研发出来并变成产品。制作技术包括部件制作技术和整机集成技术，同样分成高中低端的。任何精密机械设备都是难以制作出来的，其中高端的尤其难，不是一般般的难，比制作中端以及低端的难多了，高端光刻机绝不是、远不是独一无二的难以制作，但若是掌握了相关技术首先是关键技术，制作所有的精密机械设备就都变成不难的了，换句话说，只有在完全没有、没有全部掌握相关技术的情况下才会总是难字不离口，才会把难作为制作不出来的第一位客观原因，难道没有主观原因？主观原因实际上是居第几位？各端的技术只要全都掌握了，各端的产品就全都能制作出来，这样的实例太多太多了，中外比比皆是，这样的全球制作史是悠久的。

　　荷兰ASML的各端光刻机制作看上去是比较容易的。为什么？不是荷兰一国制作出来的，ASML主要掌握了整机集成技术，各个关键部件都是基于别国的技术、源于别国的制作，问题是那些别的国只给荷兰这一国制作、供应关键部件，还只是这些国家才有“资格”投给这一国巨额资金，而荷兰把光刻机制作出来后则只是供应那些别的国，只有等到全球即将有制作出低端、中端的光刻机的其他国家才会先后分别卖给，如今是“只待”将会制作出高端光刻机的其他国家，这是在连抑制带阻遏，无异于打压！这个模式一直以来独一无二，却显然不可以像有些人说的那样叫做“全球合作”，因为至少并不是全球同时共享的；只能叫“盟国合作”，因为至少并不是全球一起参与的，具有明晃晃、长久久的排他性，目的在于“共霸”，这另有史实为证：即使先给其他的国家供应了关键部件，后来也会断供，或者时不时地断供一回，所以说，这个模式对于全世界占绝大多数的其他国家来说简直是不具有借鉴性的，你倒是可以说：荷兰等国家是由于全都高度重视、高额投入、高频合作，才做到了高中低端的光刻机全都共有，高端光刻机并且是早就共同先有、至今共同独有的，做到这种程度实在是并不容易，荷兰等国家的相关企业对拥有的热求、对投入的舍得、对研发的执着、对制作的精专肯定具有借鉴意义，也可以说是其他国家的光刻机整机集成和部件制作企业都相形见绌的。

　　荷兰ASML总裁在2年前所说的把制作出来的光刻机图纸公开了中国人也仿制不出来就是单指EVU光刻机。即说的是高端的、世界顶级的光刻机，包括但不仅是7纳米的，为什么说是单指？明明知道中国已经制作出低端的、即将制作出中端的，怎么可能不知道呢。当然，不是在说中国人“难以”或者叫不易独立制作出高端的光刻机，而是在说完全没有可能，并且连模仿出来都不可能，只有我荷兰人才能，也真就制作出来了，在我荷兰这里已经不再是个难事。这话肯定是太武断了！太不了解中国人的聪明才智，特别是太不了解中国人已经制作出来的其他大型高端以及顶级精密机械产品的事实。又太没有自知之明了！EUV光刻机绝非主要因为荷兰人才制作成功。

　　如果那位荷兰总裁的说法变成中国人难以很快制作出来EUV/高端光刻机，倒是对的。因为中国虽然在光刻机制作上也希望来个全球合作，却不得不、不能不主要采取“一国研发制作”的模式，多年以来采取的就是这种也属于全球独一无二的模式，只是相关技术的底子还是不厚，何况历史上有过由国内芯片行业热衷于引进外国成品造成的“延误”。中国采取的全球另一种独一无二的模式也是有效的，成效还不算小，依靠这种模式制作出来高端光刻机只是个时间问题，即便比实行“盟国合作”的荷兰等国家所用的时间长；最为重要的是，中国早就是始终如一地倡导和推动“一国高中低端光刻机全都有”的国家，初心所在、战略所在，其实何止在光刻机和芯片领域是这样，国外有的都要求有、国外高的都要求高，国内的相关企业在总体上是积极响应、努力践行的，请问：到目前为止，这样始终如一的国家在全球是不是独一无二的？！

　　目前世界上80%的高端光刻机市场份额都由ASML占有，能做出3nm工艺的只此一家。而目前我国在使用最先进的光刻机是14nm的，预计在技术上面相差10年以上。光刻机不光技术难度高，研发资金也是庞大的，佳能和索尼便是因为费用太高而放弃研发。

　　光刻机的主要构成部分有：测量台、曝光台，激光器，光束矫正器，能量控制器，光束形状设置等几个部分，每个配件都是属于行业科技顶尖的产品。

　　光刻机在制造芯片的时候，首先需要在晶圆表面涂光感胶，再透过掩模版将光线照射到硅片表面，被照射到的光感胶便会发生反应。此后用特定溶剂将胶进行清洗，这样电路图就印到硅片上。有了电路图图样之后，下一步就需要进行刻蚀机出厂了，通过刻蚀技术雕刻出数亿个晶体管。这样芯片的基本模型就出来了。

　　不光是设计困难，在研发的费用上也是很高，除了ASML之外，其实佳能和索尼的光刻机技术也是不错的，但是因为年年的巨额亏损，只能退出市场。而ASML能活下来的原因主要是它会拉赞助。谁想买我的光刻机，那就你就得入股，成为我的股东。这样就将所有人的利益绑定在了一起。

　　虽然光刻机的研发技术难度大，但是我国在此方面的资金扶持投入也是巨大的，目前的14nm的光刻机已经投入使用，预计今年下半年7nm工艺技术将开始投入研发。

　　对于芯片制造业来说，光刻技术可以说是芯片制造的顶端技术。基本上现在所有比较先进的芯片，所采用的技术都是光刻。这项技术都已经很艰难了，更别说光刻机器了。现在全球的光刻技术基本上超过70%都被ASML公司掌控，而我们国家对这项技术目前还是空白。

　　你可以这样想，把芯片上的数据用光的形式打到芯片上，一丝一毫都不能出错。而且现在芯片已经达到了7nm的技术层次，如果对这个没有概念，就看看自己的头发，他是你头发的7/5000大小。所以，对于技术的要求实在是太高了。

　　然后就是整体的制作思路，光刻机对本身的要求非常高，几乎没有一个部位能马虎。如果有一个部位出错了，那整体的运行都是很大的问题。所以，你没有一个系统的制作思路，不要说制作，想都想不明白。

　　最后就是老生常谈的成本了，光刻机不仅难制作，而且制作成本也很高。ASML之所以能够制作出来是因为它经过了40年的不懈努力，每年都要投入几十亿的资金。你觉得这样的金额的投入，在我们国家能坚持几年？