制造光刻机为何这么难光刻机

原子弹和光刻机，到底哪个更难造？
经常看到有人讨论这样的问题。但其实没有多大意义。
原子弹和光刻机的制造其实是没有可比性的，当年我们的原子弹制造是从0到1的过程，现在的光刻机实际上是从1到2的过程，一个是万丈高楼平地起，一个是从好到更好，从精端到高精端的努力。

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这两种技术没有多少可比性，没有谁更难造这种对比，都难造。
但有一个事实不可忽略，现在的光刻机，确实是比原子弹还稀有。
现在有原子弹的国家确实不少，包括印度、朝鲜、巴基斯坦等9个国家都有核弹，但全球目前能制造出尖端光刻机的国家也就只有荷兰和日本这两个国家。
光刻机这个听起来并不是那么具有杀伤力的东西，确实比原子弹更加稀有。
主要还是因为光刻机技术的突破存在很多难点，至今一直都未被攻破。
光刻机制造为什么这么难？
在谈这个问题之前，我们先来聊聊，光刻机是什么？

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那就一定要提到芯片，说起芯片，一定会有人知道我国现在在芯片供给上还处于被“卡脖子”的阶段，芯片在我们的日常生活中无处不在，电脑、手机，甚至是我们的电视遥控器中，都有芯片的影子。
小小的芯片，不过拇指盖大小，却能在几十平方毫米的空间里，运行几十亿个晶体管。
而在芯片制造中，光刻机是无法绕开的核心设备。利用紫外线除去晶圆表面的保护膜，完成这一步骤的机器就是光刻机。我们可以将光刻机理解成一个成像设备，它将光源照射到设置好的图像，通过成像系统把电路图形精确复制到晶圆上，制造出芯片所需的图形和功能区。
看似简单的原理，背后却是纳米级别的精确度。
这一纳米一纳米的精度，很多国家都没有办法逾越。当然，也包括中国。

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2020年10月14日，半导体巨头、全球光刻机领头企业阿斯麦（ASML）首席财务官罗杰·达森对向中国出口光刻机的问题作出了表态。他表示，阿斯麦可以从荷兰向中国出口DUV（深紫外）光刻机，无需美国许可。但讲话并未提到更先进的EUV（极紫外光刻机）。
很显然，目前我们的光刻机技术不够成熟，进口的光刻机也正受到美国的打压。
中国的芯片制造面临着很大的难题。
那光刻机制造到底有多难呢？
一、光源问题
光刻机以光为媒介，刻画微纳于方寸之间，实现各种微米甚至纳米级别的图形加工。
目前，世界上最先进的光刻机已经能够加工13 纳米线条。而我们人类的头发丝直径大约是 50~70微米，也就是说，光刻可以刻画出只有头发丝直径1/5000的线条。

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前面提到的荷兰ASML公司的极紫外光刻机（EUV）是现在全球最顶尖的光刻机设备，相较于DUV ，它把193nm的短波紫外线替换成了13.5nm的极紫外线，能够把光刻技术扩展到32nm以下的特征尺寸。
EUV光刻机的光源来自于美国的Cymer ，这个13.5nm的极紫外线其实是从193nm的短波紫外线多次反射之后得到的。
简单来说，就是用功率为250的二氧化碳激光去不断轰击滴落下来的金属锡滴液，在进行连续轰击之后，就能激发出EUV等离子体，从而获得波长更短的光。
在这个过程中，每秒大约要攻击5万个滴液，而一个金属锡滴液，其实只有20微米的大小。
这是个什么概念？就是相当于从地球上发射出了一束手电光。
足以可见其精密程度。
光源的问题，就是光刻机制造的难点问题之一。

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就如上所说， EUV的光子能量是无法通过直接照射来获得的，激光器与灯泡也不行，在光源制造中需要将锡融化成液态，然后在锡一滴一滴滴落的时候用激光攻击锡珠，让锡转化为等离子态，释放出极紫外光。
这种制造方式难度就已经很大了，对制造方的软件和硬件来说都是一种考验。并且光源在长时间的积累之后就会在里面溅很多锡微粒，定期清洁也是不小的工作量。
在2015年， ASML研造出来了第一款EUV之前，大概有20年的时间内，光刻机所使用的都是DUV深紫光。
其研造难度可想而知。
二、反射镜
光刻机的第二个难点，是用来调整光路和聚焦的反射镜。

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普通光刻机的物镜是透镜，高端光刻机的物镜是反射镜，反射镜还得利用Bragg反射的原理添加涂层。
反射镜的作用是把模板上的电路图等比例缩小，在硅片上以电路图的形式呈现出来，这是制造芯片的关键元件。
ASML公司EUV的光学元件都来自于以做光学器件出名德国的蔡司，当然其中也包括光刻机的反射镜。
EUV多层膜反射镜作为光学系统的重要元件，成为了EUV光源的一项关键技术，需实现EUV波段的高反射率。
近年来，科研人员们通过研究发现，采用Mo/Si多层膜制备出的反射镜对中心波长为13.5 nm、光谱带宽，在2%以内EUV光的反射率可达70% 。通过将Mo原子和si原子交替排列，可使13.5nm的EUV光在其中发生干涉，从而得到较高的反射效率。

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一句话来感受一下EUV反射镜精度到底有多高？假设差不多半米直径的镜面是德国国土面积那么大，那么其局部的凹凸不能超过1mm 。
光刻机上面反射镜的制造，也是光刻机技术的一个难点。
三、工作台
光刻机的工作台控制了芯片在制造生产中的纹路刻蚀，工作台的移动精度越高，所加工的芯片精度就越高。这对于国家的硬件能力和软件能力都是考验，即使是科技实力十分强大的美国也无法做到垄断光刻机移动工作台。
ASML公司的EUV光刻机工作台采用的是一种高精度的激光干涉仪，以此进行微动台的位移测量，构建出一个闭环的控制系统，进而实现纳米级的超精密同步运动。
光刻机分辨率的日益提高对光刻机工作台提出了更高的要求，在工作台运行过程中，需要花费更多的时间对准以保证光刻机的工作精度。
【制造光刻机为何这么难光刻机】也就是说，怎样在保证不浪费太多时间的同时确保工件的精度？这是个问题。

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在芯片制造过程中，并不是一次曝光就可以完成的，在制造过程中要经历多次曝光，这也就意味着，在芯片制作过程中要进行多次对准操作（每一次曝光都要更换不同的掩膜，掩膜与硅晶圆之间每次都要对准操作）。芯片的每个元件之间都只有几纳米的间隔，在这种情况下，掩膜与硅晶圆之间的对准误差都必须控制在几纳米范围内。
一次对准可能相对来说比较容易，但芯片的制造需要多次曝光多次对准，在曝光完一个区域之后，放置硅晶圆的曝光台就必须快速进行移动，接着曝光下一个需要曝光的区域，想要在多次快速移动中实现纳米级别的对准，这个难度相当大。
就相当于端着一碗汤做蛙跳，还得保证跳了几十次之后一滴汤都没洒出来。
这项技术精度，也是光刻机的一项难点。

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现在ASML公司已经研发出了双工作台，在一个工作台完成扫描曝光的同时，另一个工作台也可以同时进行对准、调焦、下片等操作。这项技术，完美地实现了工作台精度高且操作时间短的预想。
我国的华卓精科公司虽然也在双工作台技术上实现了一点突破，但目前该技术还不能实现量产，与国外还存在不小的差距。
工作台技术不论是从精度还是时间效率上来说，均是光刻机技术上的一个难点。
EUV不仅能量比较高，对物质的影响也极其强大，它们可以被几乎任何一种原子吸收，所以刻录光源的产生以及晶圆刻录过程必须在真空中进行。这对于EUV传播路径的选择提出了新的要求。
四、耗电问题
光刻机要在工作过程中稳定地输出高功率的光线，以支持其在晶圆上的持续刻蚀。为了实现芯片的工业化量产，光刻机在耗电能力上也有极致的追求。

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最关键的还是， EUV光刻机还非常费电，它需要消耗电量把整个工作环境都抽成真空以避免灰尘，同时也可以通过更高的功率来弥补自身能源转换效率低下的问题，一般设备运行之后每小时就会损耗至少150度的电力。
这种极度耗电的问题，也是光刻机制造中的一个难点。
除此之外，次级电子对光刻胶的曝光、光化学反应释放气体， EUV对光罩的侵蚀等种种难题都要一一解决。这种情况就导致很长一段时间内EUV的产量极低，甚至日均产量只有1500片。
当然，除了上面提到的几点之外，光刻机的研发还面临着很多难点，光刻机对工作环境的要求极高，它必须要在超洁净的环境下才能够运行，一点点小灰尘落在光罩上就会带来严重的良品率问题，并对材料技术、流程控制等都有更高的要求。

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最致命的一点，就是光刻机的研发成本极高。
现在最顶尖的光刻机就是荷兰ASML公司的EUV光刻机。这部最先进的光刻机设备由80000多个零件组成，这些零件中有90%都是由供应商提供，任何一个国家都没有办法靠自己一方完成整个设备中零件的制造。
ASML的总裁Peter Wennink曾表示， EUV光刻机集结了世界各国最先进的技术。EUV光刻机的光源来自于美国Cymer ，各种光学部件来源于德国的蔡司，计量零件出自美国世德科技……EUV光刻机的零件都来自于世界上最顶尖的零件制造商，而这个世界上，目前还没有人能够模仿他们。
从这个层面来看， EUV光刻机实际上已经算是一个国际项目了，毕竟有多个国家参与研发生产。其投入之大可想而知。

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再举一个最直观的例子，我国以研发光刻机双工作台出名的华卓精科公司。在研发的三年时间内累计获得政府补贴为7.27亿元，但实际上公司的营收却微乎其微，政府的补贴额多达公司总营收的两倍之多。
而直到现在，这个双工作台还依旧无法实现量产。
很明显，光刻机的前期投入巨大但成果微乎其微，这不论是对于投资方还是对于科研人员来说，都是一个不小的挑战。
因为芯片制造的难度较大且投入较高，现在全球芯片都比较紧缺，我国更是面临一直被美国卡脖子的困境。因此，我国一直都十分重视对于光刻机研发的投入，包括很多厂商公司等也正在加快对于光刻机的研发，目前也已经取得了一些技术突破，希望中国光刻机技术尽快出圈。

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结语：
“光刻机与原子弹哪个更难造”这个问题根本没有可比性，但光刻机目前确实是比原子弹更加稀有。
光刻机制造在光源、物镜、工作台、研发投入、工作环境等领域都面临着不小的难点，也正因如此，光刻机技术久久都未取得明显突破，我国在芯片制造上依旧面临被卡脖子的困境。
但目前我国在光刻机技术上已经取得了一些小小的突破，国产光刻机未来可期！期待中国光刻机打破垄断，走向世界的一刻。