产业｜独立制造一台光刻机有多难？

 

最近这一周，一则网上风传的科技新闻说中国科学家发现了一种新的产生极深紫外光源的原理，可以突破光刻机的卡脖子技术难题，甚至还传说，我国已经在雄安开始建设光刻工厂了。今天就借着这个话题，来跟大家聊聊造一个光刻机难不难，有多难。看完，相信您心里就有答案了。


光刻机就是用来生产芯片的关键设备，我们用的每一台电脑，每一台智能手机中的芯片就是用光刻机生产出来的。

衡量一块芯片的工艺先进程度，用的是 xx 纳米（nm）这样一个单位。纳米是个长度单位，1 纳米等于 10 亿分之一米。就好比一款手机采用了 7nm 制程的芯片，大家惊呼“好厉害”。为什么呢？简单来说，芯片上的电子元件，也就是晶体管，是被刻出来的，就好像我们在橡皮图章上刻字。在同样的面积上，能刻出来的晶体管越多，芯片也就越先进。在芯片领域，就是用多少多少 nm （纳米）来表示芯片的先进程度，数字越小表示芯片越先进。10nm 的比 14nm 先进，7nm 比 10nm 先进，你不要纠结为什么是 5、7、10、14 这样数字，这背后有复杂的历史成因。

芯片是用激光在硅片上刻出来的，所以，要把晶体管刻得越小，就需要波长越短的激光。现在全世界最先进的光刻机用的光源叫极深紫外光，英文简称为 EUV，波长是 13.5纳米，它是美国公司研发出来的，但这家美国公司现在被荷兰的阿斯麦公司收购了。不过这里要弄清一个概念，不是说 13.5 纳米波长的激光就只能刻 13.5 纳米的芯片，它其实能刻 7 纳米，5 纳米，甚至更小制程的芯片。

比 EUV 更差一点的光刻机用的光源是深紫外光，英文简称 DUV，波长是 193 纳米，比 EUV 大了一个数量级。华为最新手机用的那个 7nm 制程麒麟 9000s 芯片就是用 DUV 刻出来的，是的，193 纳米的波长，利用一种叫做多重曝光的技术就可以刻出 7nm 的芯片。但就是这种 193 纳米的光刻机，我国现在还造不出，能造出 DUV 的全世界也只有日本的佳能和尼康，以及荷兰的阿斯麦公司。对，你没听错，美国也不行。

这里顺便插一句什么是多重曝光技术。我用一个最简单的比方来试着说明一下，比如说，现在你有一个画正方形格子的机器，但它能画出来的正方形的格子的边长是 100 毫米，你有没有办法利用这个机器画出小于 100 毫米的正方形格子呢？是可以的。方法就是我先在纸上画很多连在一起的格子，形成网格。然后我把机器稍稍挪动一下位置，在这张纸上再画一次，这样又会画出一个新的网格，两个网格重叠在一起，线条就会交错形成更小的格子。你自己可以拿笔在纸上试一下。

光刻机每次刻芯片的过程就是一次曝光，用 DUV 去生产 7nm 制程芯片也是一样的，一次没办法，就多曝光几次，每次曝光之后就移动一小步再曝光。这样就可以刻出更小的晶体管。当然了，这样做也不是没有副作用的，那就是出错的可能性也更大了，大规模生产的话，会有很多失败的芯片浪费掉。用专业术语来说，就是芯片的良率比较低，次品率比较高。

我们回到正题，制造一台光刻机有多难呢？

我先定个性，光刻机是目前为止，人类有能力制造的最精密和复杂的机器，没有之一。一台光刻机，有三大关键部分组成。第一部分是光源、第二部分是光学系统、第三部分是蚀刻工作台。每一部分的技术挑战都堪比登月。
先说光源。要产生 13.5 纳米波长的极深紫外光，目前的做法是用高功率的激光轰击一个直径只有三千万分之一米的小锡球（就是金属锡的锡）。但这一句话不足以描述它的难度，我需要展开来说。