14年前托马斯·弗里德曼在《世界是平的》一书中感慨道

科技和通信领域的进步正大大加速着全球化

我们眼下的世界格局

正如他预言那样

“世界正被抹平”

半导体产业链的存在就对全球化最好的解释

但内有隐忧，外有威胁

仍然是困扰我国芯片产业的现实写照

意识的觉醒让我们开始奋力追赶

中国在芯片领域和世界先进水平逐年拉近

但有一项卡脖子的难题

至今仍然让中国人难以望其项背

这就是光刻机领域

上期我们讲过荷兰光刻机霸主ASML的故事

作为整个西方尖端科技托举起来的半导体明珠

加上英特尔、台积电、三星的鼎力支持

其生产的光刻机的毛利可以达到40%以上

这在制造业领域是难以想象的

足以和腾讯这种互联网巨头比肩

可以理解到底有多赚钱了

这期我们详细讲一下

光刻机的技术难点

光刻机到底在“刻”什么？

谈枯燥的原理之前

我们先解释光刻机演进过程中最重要的一条定律：

科技行业日新月异，变幻莫测

但背后有一双看不见的手

准确预测着行业的发展速度

这就是大名鼎鼎的“摩尔定律”

现在你手里握着的普通智能手机

性能比小时候用的台式机不知道要强出多少倍

这背后也是摩尔定律

我们知道芯片上晶体管越多

运行速度就越快性能就越好

摩尔定律就是说

计算机芯片上的晶体管数量大约每两年会翻一番

也就意味着同样规格芯片的成本

每12个月便会降低一半

芯片的制程就是两个晶体管之间的距离

而芯片工艺的每次提升

都要求制造商们要制造出更加精确的光刻机

如今芯片工艺的精细度是用纳米来衡量的

在数学上，1纳米是0.公尺

如果以指甲厚度做比较的话，或许会比较明显

指甲的厚度约为0.公尺

也就是说试着把一片指甲的侧面切成10万条线

每条线就约等同于1纳米

由此可以想像得到1纳米是何等的微小了

造微小的东西

核心思想就是放大

类似于杠杆原理

然而在芯片领域普通的机械杠杆原理已经完全不够用了

如何在小小的硅晶片上批量生产图案呢？

这时候一种特殊的工具：光

就被人们想了出来

光怎么来放大呢

想想生活中的例子：照相机和投影仪！

“投影”的核心是造一个放大的模子

再把线路与功能区“印进”晶圆之中

照相机拍摄的照片是印在底片上

而光刻刻的不是照片

是电路图和其他电子元件

光刻第一步就是在晶圆表面涂一层光刻胶

再用光线透过掩膜去照射下面的晶圆

被光线照射到的光刻胶会发生反应

图案就转移到了光刻胶上

光刻完成后对没有光刻胶保护的部分进行刻蚀

最后洗去剩余光刻胶

图案终于转移到了晶圆上

真正在晶圆上刻出东西来

是在这一步

这样就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程

通俗点说

光刻机就是给萝卜雕花的雕刻刀

只是原理比较复杂

最先进的雕刻刀强在哪里？

这就要讲到另外一个原理瑞利判据

简单来说，“瑞利判据”是用来对光学仪器的分辨能力进行定义的

所用的指标是“最小分辨角”θ0（读作：西塔-零）。

λ是入射透镜的光的波长

D是光学仪器透镜的直径

光的波长越短

最小分辨角就越小

仪器的分辨能力就越强大

也就能够制造出更小尺寸的元件

业界的主流波长是纳米

被称作DUV

目前已经不够用了

这时候ASML13.5纳米EUV的出现了

可以实现7纳米以下制程的芯片加工

正因为波长非常短

所以要通过特殊的方法来把它制造出来

ASML先把高纯度的锡加热到熔化

再喷射到真空中形成一颗一颗的小锡珠

然后用激光照射这些锡珠

使其变为粉饼状

产生更大的表面积

再用高功率的二氧化碳激光照射这些粉饼

就得到了高热等离子体

放射出极紫外线EUV了

锡珠液滴只有20微米大

运动过程中连续用光击中两次

由于击打产生的光持续过程非常短

还需要高频重复每秒5万次

接下来要做的事情

就是把这个EUV收集起来

使其有方向性，成为一束光

这个过程中使用的是布拉格反射器

在ASML的EUV光刻机中

布拉格反射器采用硅和钼作为主要原料

有超过40层介质层

每层的厚度只有不到4纳米

可以说，直到这里，

才将极紫外线完整的生产出来

并收集成一束光

可以用于后续的生产了

然而，搞定光源只是一个起点

这就已经难倒了绝大多数厂商

后续真正生产还有各种苛刻的条件

比如光学检测的效率和准确度

纳米级的错误可以让千万价值的芯片直接作废

掩模的工业设计、光刻机厂房的无尘环境等

即使生产出来了

能够卖出去又是一大难题

前面这一步中

有三家厂商参与

一家是ASML

一家是德国Ditzingen的TRUMPF公司

它是目前唯一能够持续产生40千瓦功率的二氧化碳激光

最终得到瓦的极紫外线的厂商

第三家公司是卡尔蔡司

它提供的是布拉格反射器

也是全球唯一一家能够实现对极紫外线进行控制的厂商

他们与ASML都是深度捆绑的

在各种不公平待遇和制裁下

别人花钱收购就能办到的事情

我们是要拼命的

如果仅仅依靠我们自己的努力可能会长期落后下去

其实我国光刻工艺入局时间并不晚

早在上世纪60年代就开始了

但在80年代以后

“造不如买，买不如租”的理念占据主流

再加上产业链不健全

很多自主研发的项目都半路夭折

目前中国目前出台“02专项”

突破集成电路制造装备、材料、工艺、封测等核心技术

形成完整的产业链

具备国际竞争力的专项攻坚行动

根据“02专项”的描述

在“十三五”（-）期间

我们将能够具备14nm制程工艺的芯片生产技术

上海微电子负责我国自己的“浸润式光刻机”研究

“90nm光刻机样机”目前已经通过了验收

代表了中国国产光刻机的最高水平

长春光机所则专门负责突破EUV技术

目前也已经通过了国家验收

能满足国内芯片市场的中端需求

中科院也宣布攻克了技术难题

掌握了2nm的制成技术只是从突破到量产还需要一段时间

世界是一个整体

我们在看到国产半导体设备产业实现突破的同时

也要冷静地认识到我们与国际先进芯片工艺上面的巨大差距

就连ASML都是集合个整个西方力量

和全球多达家供应商

而核心技术原子的构造

我们离得还很远

就连光刻胶

我们也还没有高质量的

到最后

你还认为光刻机只是一项小小的技术难题吗

作为人类目前最精密的创造品

它的产业链高度细分

有千百家出色的企业

从半导体制造设备、设计、生产、测试、封装到最终产品中的嵌入和验证

各个阶段都基于非常先进技术的全球性行业价值链

但未来几乎不会再有企业有覆盖一整条产业链的能力

中国芯片业的落后

看似是一个点

其实反映的是一大片

唯一的正道

就是把所有这些门类的基础都补上

都达到世界顶端

芯片制造的七大生产区域

扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化

可喜的是

我们在光源和刻蚀极等领域已经达到先进水平

不是一穷二白的状态

对于国内的光刻企业

我们还还要给予耐心

不能急功近利

从筚路蓝缕到砥砺前行

仍然是未来国内半导体产业的必由之路

最后说说讨论很多的“芯片和光刻机再难，有两弹一星难吗？”

实际上，这两者的难度不是同一类的

芯片的难度在于精密制造

而一个国家能不能造出核武器

在很大程度上取决于核材料的生产

看一个国家有多少离心机就能判断出他们离造出原子弹有多远

芯片难造只是一方面，迭代过快也是一大痛点

这就需要买最新的光刻机

ASML好比一家掌握着独家秘方的私房菜馆

别人不仅轻易学不到秘方

想吃他家菜还得斥巨资

更严重的是，想买它还不一定敢卖

具体参照《瓦森纳协定》

最后的最后

据外媒最新消息

为了打破美国的技术桎梏

欧盟17国决定

在未来2-3年内投资亿欧元研究半导体技术

以当前的汇率计算

这笔投入超过1万1千亿人民币

新一轮的军备竞赛开始了

欧洲都大力加码了

咱们还要继续酱香科技吗？

不知道大家有什么不同见解

也欢迎留言区多互动