上海微电子攻克90nm光刻机，能造7nm芯片吗？与ASML差距多大呢？

根据9月14号消息，上海企业（上海微电子）已经突破90nm光刻机和5nm刻蚀机技术，标志着国产制造的进一步提升。

那么90nm光刻机意味着什么呢？它能够制造7nm、5nm芯片吗？它与ASML的EUV光刻机又有多少差距呢？

今天为您一一揭晓谜题。

简单科普一下光刻机

光刻机是什么呢？

——一种制造芯片的关键设备，它可以将电路结构临时"复制"到涂有光刻胶的硅片上。

光刻机的原理是什么？

——就像冲洗照片，不同的是洗照片是把底片放大，而光刻是把底片缩小。

制造高端芯片难吗？

——很难，就像在一粒大米上雕刻清明上河图，而这粒大米还在时速100迈的汽车上，而雕刻设备在另一辆时速10迈的汽车上。

原子弹和光刻机哪个更难？

——世界上有多个国家可以独立制造原子弹，而顶级的EUV光刻机只有荷兰ASML能够制造，并且还是集成了全世界多个国家的技术。

总的来说：如果半导体是人类工业史上的一顶皇冠，那么光刻机就是这顶皇冠上的明珠。

对于这种夸张的描述，个人不做否认。但是并不是所有的光刻机都是皇冠上的明珠。

光刻机根据应用范围分为：前道光刻机、后道光刻机、LED光刻机和面板光刻机。我们常说的7nm、5nm芯片都是用前道光刻机制造的。

前道光刻机市场主要有三家：ASML、尼康、佳能。工艺上，ASML>尼康>佳能。

ASML的EUV光刻机已经可以制造14nm以下工艺的芯片，而尼康和佳能的DUV光刻机只能制造28nm制程的芯片。

因此，目前主流手机芯片，如：高通骁龙、苹果A系列、联发科天玑等都使用了ASML的EUV光刻机。

台积电、三星、英特尔号称芯片制造三巨头，如果没有ASML的光刻机，它们也全部歇菜。

2021年，全球光刻机市场份额为1076亿，ASM一家就达到了854亿，占比79%。中端市场（DUV光刻机）出货103台，占据93.6%的市场份额，高端的EUV光刻机直接垄断。

上海微电子90nm光刻机能制造多少nm的芯片

很多网友认为90nm光刻机只能制造90nm制程的芯片，而7nm芯片只能使用7nm光刻机，还有一些网友持不同观点，一台光刻机就能够制造所有制程的芯片，只需调一下参数，那么事实如何呢？

事实证明，90nm光刻机经过两次曝光，可以制成45nm的芯片，三次曝光后可以制成22nm的芯片。

但是曝光次数越多，芯片的良品率就越低，漏电率越高，所以大都用来制造28nm芯片。

再看ASML，EUV光刻机达到了13.5nm，三次曝光后可以制造3nm制程的芯片，领先上海微电子4代。

这样巨大的差距追赶起来难度是可想而知的。

90nm光刻机从研制成功到量产，打磨了整整11年。

早在2007年，上海微电子就研制成功了90nm光刻机，但是直到2018年才量产成功，中间这11年经历了什么？

据悉当时的90nm光刻机采用了德国蔡司的镜片，数值孔径为0.93NA，分辨率为90nm，但随后在“特殊待遇”下，我们拿不到蔡司的镜片，必须自主研发。

光刻机所需的镜片要求极为严格，以EUV光刻机为例，

它对镜片的集中度要求：拿个手电照到月球光斑不超过一枚硬币大小；

平整度要求：长30cm起伏不到0.3nm，这相当于从北京到上海的铁轨起伏不超过1毫米。

如此苛刻的要求是因为EUV光刻机中的镜片加起来超过了1吨，几百片镜片累计产生的误差是十分可怕的，一个细小的误差就会造成整批芯片的报废。

最关键的是这些镜片全都是标准非球的加工，无法纯机械打磨，必须手工与机械配合。这对技工的要求是极高的，蔡司的“金手指”团队也只有20多人，国内更是稀缺。

据悉，蔡司的“金手指”在镜片打磨的岗位上一干就是几十年，甚至有的还是子承父业，他们心无旁骛地只做这一种工作，最重要的是他们认为这是一种荣耀，做不好就会丢家人们的脸。

国内技工缺的就是这样的工匠精神，只能从零开始，11年后，也就是2018年，长春国科精密光学终于研发成功了数值孔径0.75NA，分辨率为90nm的镜片，纯国产90NM光刻机正式量产。

2021年，市场传出上海微电子研制成功28nm光刻机，经过三次曝光后可以制造出7nm工艺的芯片，这绝对是重大进步。但这则消息没有得到上海微电子的确认。

国产光刻机仍在进步，但是距离13.5nm的EUV光刻机，量产3nm芯片的路还很长。

ASML的EUV光刻机有多难造

得芯片者得天下，得光刻机者得芯片。其中EUV光刻机则是重中之重。

EUV光刻机涉及数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别等众多学科。

零部件就超过10万个，线缆长达十几公里，其中不乏镜片、光源、光束矫正器、能量控制器、掩膜台等精密组件。

除了镜片光源几乎是最大的难题了。

EUV光刻机采用了波长为13.5nm的极紫外光，这种光就像一把锋利的刀，对晶圆进行刻蚀。

将CO2激光脉冲放大成30KW的激光束，频率达到5万次/秒左右，这种激光也被称为“种子光”。

种子光呈红色，温度高达22万摄氏度，是太阳表面温度的几十倍，并且拥有两束。关键是这两束“种子光”必须要有相同的光学特性。

利用种子光轰击下落的锡珠，第一束种子光将锡珠轰成正确的形状，第二束穿过锡珠形成一个发光的等离子体，发射出波长为 13.5 nm 的 极紫外光。

它的难点在于时间的掌控，过早则无法形成规则的锡珠，产生不合格的极紫外光。过晚，第二束激光就无法击中锡珠，也就无法产生极紫外光。

第三步：

产生的极紫外光需要聚焦后，再穿过透镜照射在掩膜板上，然后再照射的晶圆上进行光刻。

这一步对镜片的要求极为苛刻，一旦出现丝毫误差，就无法将极紫外光聚集在一起，形成有效的光源。

能够做出这一独特光源系统的公司只有一家，通快半导体制造激光系统公司，其拥有500多名员工，专门从事EUV激光器研发。

但是仅凭它自己还是无法做到，需要美国的Cymer公司通力合作。之后Cymer被ASML收购。ASML成为了拥有该项技术的公司。

EUV设备制造完成后，安装调试工作也是极其繁杂的。

单台EUV设备里超过十万个零件、4万个螺栓，以及3000多条线路。仅仅软管加起来，就有两公里长，这么一台庞大的设备，重量足足有180吨。安装调试就需要几个月。

没有专业的团队，系统的培训，根本无法完成这项工作。

即便如此，ASML也只拥有10%的核心技术，其余配件中精密镜头来自德国蔡司、特殊材料来自日本，轴承和阀件来自瑞典和法国。

总之，EUV光刻机是世界科技的集大成者，某一个国家单独完成这项工作被称为“不可能”，

难怪ASML高管直言：就算给你们图纸，也造不出来高端光刻机来。

国产光刻机的突围

除了上海微电子外，其他国内企业、研发机构也纷纷布局光刻机领域，并且有了部分成果。

2018年8月，清华大学朱煜教授带领的团队成功研发出了双工作台光刻机，中国已经成为全球第二个掌握双工作台的国家。

中科院也加大了研发力度，旗下光电所研制出“超分辨光刻装备”，采用365nm波长的紫外光单次曝光就实现了22nm的分辨率，多次曝光后可以达到7nm。

武汉光电所采用激光衍射，成功刻出了9nm线宽的线段，实现了从超分辨成像到超衍射极限光刻制造的重大创新。

合肥芯硕半导体、无锡影速，也实现了200nm光刻机的量产，并且积极布局下一代制程。

中微公司带头破冰5nm刻蚀机，在全球刻蚀机产业中，中微公司的实力已位居一线，甚至将5nm刻蚀机打入了台积电的供应链。

中国企业、科研机构在不断地突围，光刻机的难题正在一个一个的被攻克，半导体产业链也开始逐步完善。

中国的光刻机在突围，中国的芯片产业链在合围。

一旦EUV光刻机突围，那么中国的芯片产业链也将实现完美的合围。

在芯片设计领域，EDA软件一直高不可攀，而国内企业华大九天一直聚焦于EDA软件的开发及服务，目前已经完成了28nm的设计软件。

芯片设计领域的华为海思是行业翘楚，手机端的麒麟芯片、5G巴龙基带芯片、AI端的昇腾芯片、服务器端的鲲鹏芯片、网络端的凌霄芯片，都很受市场欢迎。

而被誉为海思的“接棒者”紫光展锐发展迅速，已经成为目前国内唯一能设计出5G芯片并通用出货的厂商，研发能力达到了6nm水准。

国产CPU指的应该是兆芯，这家国产CPU公司掌握领先的自研实力，在通用CPU有不错的性能表现。

新昇半导体已经突破12英寸的硅片的制造技术，硅片这类的原材料已经不是问题。

制造端的中芯国际已经具备14nm芯片量产的技术，7nm、5nm已经研发完毕，只待EUV光刻机。

封测领域的长电科技已经成为全球前三的封装测试服务商，产品和技术涵盖了网络通讯、移动终端、高性能计算、车载电子、大数据存储、人工智能与物联网、工业智造等领域。

IDM模式中，长江存储就是最好的例子，公司专注于3D NAND闪存设计制造一体化，产品包括闪存、嵌入式存储、企业级硬盘等等，广泛应用于消费电子、移动通信、服务器及数据中心。凭借过硬的实力进入了苹果供应商名单。

可以看出，国内半导体企业遍地开花，28nm以上制程的芯片可以实现独立自主，而高端芯片也正在形成全产业链的合围。

写到最后

90nm光刻机被攻克，这只是芯片国产化进程的一个缩影。

实际上无论是芯片本身，还是芯片设计、制造设备，国产化一直在推进。或许会迟到，但绝不会缺席！

“合则两利，斗则俱损”！希望某些“人”能及早明白这个道理。

我是科技铭程，欢迎共同讨论！