比原子弹还稀有的光刻机，为何这么难造？

光刻机和原子弹哪个更难造？这个问题其实没有多大意义。但是不可否认，制造先进光刻机的技术比原子弹还稀有。

光刻机是芯片制造所需的关键设备，占据了芯片制造中大约一半的步骤，也被称为半导体产业皇冠上的明珠。目前光刻机的生产技术由荷兰ASML 、日本的尼康和佳能三大巨头垄断。也就是说在地球上仅有日本和荷兰两个国家掌握了制造尖端光刻机的技术。

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。每一个步骤都不允许出错，其中一步出了问题，整个 IC 制造过程就全部报废。因此，要求每一步出问题的可能性都不得超过 0. 000001%。因为每一步都是在原有的基础上进行，最终的成品率为每一步成功率的乘积，如果要经过两千多次步骤，即使每一步都能达到 99% 的成功率，那最后生产出来的成品率也只有 0。就是这一纳米一纳米的精度，很多国家都没有办法逾越。

光源是光刻机制造的难点问题之一。如果把光想象成一把刻刀，那光波越短分辨率越高，刀就会越锋利，制造光源的难度也越高。

5nm的芯片意味着在每个元器件之间，只允许有几纳米的间距，相当于头发丝的万分之一粗细。目前最顶尖的光刻机的光源波长达到13.5nm，被称为极紫外光（EUV）。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。简单讲就是将锡金属熔化形成直径只有20微米的液滴，并且在真空环境中自由下落。在下落过程中，首先是193nm的深紫外光，将锡液滴打成云状，紧接着功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打它，并激发出EUV。这种制造方式难度非常大，就像用乒乓球击打空中的苍蝇。

▲EUV每秒钟激发50000次

会有人问x射线波长更短，为什么不用x射线做光刻的光源呢？确实x光做光源可以实现非常窄的刻蚀，但现在的相关应用更多用于直写光刻，效率不高。最大的问题在于它的穿透性太强了，用普通透镜无法进行放大缩小，因而无法实现光学投影式光刻。

极紫外光（EUV）穿透性很强，对于这么难搞的光源，EUV光刻机只能使用全反射的投影系统。这个投影系统由极高精度的反射镜组成。反射镜的作用就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。反射镜不仅需要提高对EUV的反射，还要能吸收杂光。因此它上面镀了四十层钼和硅的交替纳米层制作的膜，并且其表面要求几近完美的平整度。有多平整呢？如果将反射镜放大到地球那么大，那它的表面凹凸不能超过0.02毫米，相当于一根头发丝的直径。

▲EUV全反射投影系统

此外，波长越短的光越容易被吸收，甚至空气都能吸收它的能量，因而整个光刻间都要处于真空状态，以尽量减少光能的损耗。

集成电路的制造过程中，需要光刻机将多个掩膜图形逐层曝光到硅片上，每一层图形都需精准地曝光到硅片面的对应位置，以确保套刻精度。因此，曝光之前需要将掩膜与硅片进行高精度的对准。

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，并且对准误差都必须控制在几纳米范围内。

工作环境

光刻机的工作环境要求非常挑剔，它必须在纯净的黄光环境下工作，因为短波长的光会造成光刻胶变性，无法实现功能。此外，光刻所需的无尘环境要求每立方米的空气中不能超过10颗粒，且大小小于0.5微米，任何一点小小的灰尘落在光罩上都会带来严重的良品率问题。

耗电量

为了实现芯片的工业化量产，光刻机在耗电量上达到了非常恐怖的量级。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。一般来说，一台EUV光刻机工作24小时，耗电量达到3万度。

目前光刻机不是任何一个公司或者国家就能够独立研发的，ASML的全球供应商遍布世界各地，达到了五千家。可想而知，中国的自研之路必将铺满荆棘，但是正如伟大的物理学家钱学森先生所说：外国人能搞，我们中国人就不能搞？原子弹如此，光刻机也如此。