造出EUV光刻机？中国如何突破

路透社称中国造出EUV光刻机

唯物的中国芯片产业深度观察

近日，路透社“爆料”了所谓的中国“曼哈顿计划”，称中国科学家在深圳造出了美国多年来严防死守的极紫外（EUV）光刻机的原型机。

中国没有官方消息证实这一“爆料”，可能真，也可能伪。有意义的是，西方媒体的报道透露着西方对中国突破高端光刻设备的焦虑。环球网就为此发表评论称，中国科技进步，路透社本不必焦虑。

EUV光刻机被西方国家称为先进技术的“最后堡垒”，目前全球仅有荷兰企业阿斯麦可以生产。EUV光刻机始终受美国“把控”，只能卖给美国盟友，导致中国一台EUV光刻机也没有，仅能量产7nm芯片，落后主流3nm芯片两代。

中国力图摆脱受制于人的局面，光刻机“国产化”进程不断加速。其实不需要外媒“捕风捉影”，工信部官方网站先后公布了不少国产光刻机的技术参数，显示了清晰的技术路线。

中国人面对EUV光刻机有个经典之问——造氢弹和造EUV光刻机，哪个难？虽然这个问题需要详细的技术上的解释，但背后的心态非常乐观——哪怕比氢弹还难，我们也有造出来的那一天。

当然，我们的目标并不是打造技术孤岛，如果能更加深度、平等地融入全球经济和技术创新网络，那才是共享、共赢，共发展。

不过，既然需要自力更生，要克服哪些难题才能制造出EUV光刻机呢？下面我们来分析如何“手搓”EUV光刻机。

精确地光刻

目前主流的光刻机，用的都是光学投影式光刻。工作原理俗称“萝卜雕花”，只不过雕的不是萝卜，而是硅片（也叫硅晶圆）。

图为硅片

具体工作时，硅片表面会覆盖一层光刻胶，用紫外光等光线，透过掩模版（刻有电路图案的板子）照射在硅片表面，光刻胶会发生反应，将掩模版上的图案复制到硅片上，之后洗去光刻胶，就能实现半导体器件在硅片表面的构建。

半导体技术要升级，主要看晶体管中的沟道长度能不能进一步缩小，从7nm、5nm再到3nm。而想要把晶体管越做越小，就需要光刻越来越精确。

光刻光刻，主要难点在于“光学设计”。

第一个困难就是衍射极限。光刻要越来越精确，就得提高分辨率。而提高分辨率，要么减少光源波长，要么提高数值孔径——两个方式都极难。

过去，DUV（深紫外）光刻机使用的是波长193nm的深紫外光，现在EUV光刻机的光源波长为13.5nm。这一波长需要非常极致的办法才能做到。

阿斯麦官方的宣传片展示了这一震撼时刻：锡金属被熔化形成直径只有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。

阿斯麦EUV（极紫外）光刻机

光源需要准确击打正在自由下落的金属液滴，难度就好像用乒乓球击打空中的飞虫（虽然一些国乒运动员应该也能办到，但成为国乒运动员已经是世界顶级难度了），还是两次。

而且，激发产生的光转瞬即逝，因此需要每秒钟激发约50000次。另外，高达20kW的二氧化碳激光器的制造难度也相当大，所需电源功率达到了200kW。

如此高功耗的光所激发的极紫外光的功率多大呢？约210W，效率只有5.5%，这还是经过数次技术的迭代实现的最高水平，要知道，最初的发光效率仅有0.8%。

提高数值孔径的办法是改变环境的折射率。折射率越大，数值孔径就越大。

阿斯麦上一代LOW NA EUV光刻机，数值孔径0.33。最新的型号High NA EUV光刻机，数值孔径0.55。

DUV光刻机的一大突破是，中国台湾人林本坚提出了193nm浸入式光刻的概念。水在157nm波长下是不透明的液体，但是对于193nm的波长几乎完全透明。同时，水在193nm的折射率高达1.44。相比于真空介质下分辨率只能达到65nm，浸没超净水介质的光刻机理论上可以达到22nm甚至更低的分辨率。

图为林本坚

除水以外，人们在寻找更大折射率的液体。但这一类液体要求非常严格：与光刻胶没有反应，光透过率高，折射率高，还要稳定。目前研发出的第二代浸入液的折射率为1.64。

关键，把整个光学系统浸没在水里或液体里，要应对一系列问题——浸入液如何充入、是否对镜头造成污染、光刻胶在液体中是否稳定性、会不会产生气泡、如何保证液体高纯度等等。

精确地成像

光学设计的第二大困难是精确成像。

精确成像，其实就是控制像差。像差类似于手机镜头里的自己没有现实的自己好看，即理想成像与实际成像的差距。控制像差需要运用大量透镜，像DUV光刻机需要29枚透镜。

到了EUV光刻机，DUV的透射系统不能用了，因为EUV的波长太短，容易被其他物质吸收，连空气都能吸收它的能量，因此整个光刻间必须处于真空状态，减少损耗。

EUV光刻机的全反射投影系统，用的是钼/硅反射镜，镜面上镀了40层钼和硅交替的膜，平整到每个原子都要在“正确”的位置。其不仅能提高对EUV的反射，还能吸收其他没用的光。

这个反射镜的光滑度，可能算得上是宇宙中最光滑的人造结构——如果把反射镜放大到地球大小，它上面也仅有一根头发丝直径大小的凸起。

EUV极紫外光刻机镜片

就算是如此惊人的镀膜水平，每个镜片依然对EUV有30%的吸收率。整个反射系统需要11枚反射镜，真正用于光刻芯片的光强只剩下2%。

除了光学上最显著的技术困难之外，制造EUV光刻机还有很多常人难以想象的困难。比如，制备高分辨率的光刻胶，锡微流体如何精准控制大小和流速，系统冷却如何解决振动带来的精度扰动等等。

EUV光刻机特别大，跟一辆双层公交车差不多。2023年，英特尔收到全球第一台High NA EUV光刻机，这台光刻机是被分装在250个单独的集装箱里进行运输的。

大小还在其次，它的工作环境还特别严苛，光刻需要极致的无尘环境——每立方米的空气不能超过10个颗粒，且颗粒尺寸小于0.5微米。车间里每小时要净化30万立方米的空气。

阿斯麦极紫外光刻机外部

光刻需要的电能也很“恐怖”。一台EUV工作24小时，耗电量达到3万度。

中国台湾媒体给台积电算过一笔账：由于于EUV光源的能源转换效率只有0.02%左右，所以输出功率只有250W的EUV光刻机，实际需要0.125万千瓦的电力，耗电量是DUV光刻机的10倍以上。如此一来，一台EUV一年耗电量可达到1000万千瓦时。

与此同时，因为EUV光源能量转换率为0.02%，另外的99.98%电能会变成热量散发出去，需要大量的设备来降温散热，又要额外耗电。台积电2021年的耗电量，够深圳居民用一年。

科技是人类的共同财富

假如我们克服了以上的种种“地狱模式”的困难，造出了原型机，那么大约需要几年可以量产？

美国假定是10年，以阿斯麦的经验是7年。

中国制造的速度，一般是别国经验年限再砍去一半。但这只是猜测。猜测的底气在于，中国的科技基础、制造业基础、人才基础和产业链基础，足以应对任何技术封锁。

“科技是全人类的共同财富”，也应该服务于全球人民的福祉。而封锁的策略，只能损害全球科技产业、全球人民的利益。

特别是夹在中间的阿斯麦。其最新型号High NA EUV光刻机，能制造2nm、1.4nm芯片，价格4亿美元。只有英特尔、三星订了5台，台积电不太愿意买，说之前的老型号也能将就用。如果新产品卖得太少，研发成本都收不回来，以后还怎么开发新产品？

就像有评论员认为，“脱钩断链，我可以从低端走向高端，你能否从高端走向更高端？”

之前英伟达AI芯片H200也遭遇了封锁。美国政府的政策拉拉扯扯，一会放行，一会禁售，最后还是放行，证明了这种损人不利己的策略不得人心，也根本持续不下去。

英伟达H200芯片

而且，今年9月，中芯国际已经在测试DUV光刻机，其主要零组件已实现在地化生产，但仍有部分零件需依靠进口，目前该公司正致力于完全自主化生产。新型DUV设备一般需要一年的持续调校才能达到量产所需的稳定性和良率。该款28nm光刻机可以制造7nm芯片，理论上也可以制造5nm芯片。

无论是光刻机还是芯片，理想的状态，依然是中外企业开放、合作，真正分享科技进步的红利，而不是打压、窥视、焦虑，把自身隔绝于“全球化”之外。

作者 |荣智慧

编辑 | 向现

值班主编 | 张来

排版 | 阿车