国产EUV光刻机不远了（墨子硬核）

光刻机就像个大投影仪，用激光把掩膜版的图案打到幕布上，这个幕布就是附着光刻胶的硅晶圆。

这里面最核心的因素是光源，只有光源波长足够短，打出来的投影分辨率才足够高。

EUV全称是极紫外光，波长只有13.5纳米，是深紫外光刻DUV波长的不到十分之一。

波长越短，能刻出的电路就越细，芯片性能就越强。

与此同时，普朗克告诉我们，波长越短，光子的能量越高。

EUV光子的能量极高，以至于任何材料的原子都能通过光电效应吸收它，这就导致了一系列困难，也使得EUV光刻机的结构极其复杂。

一台EUV光刻机重达180吨，需要几十个集装箱才能运输，包含超过10万个零件，需要几百家核心供应商协同工作，价格超过3亿美元，比一架波音787客机还贵。

目前全世界只有ASML一家公司能量产EUV光刻机，而我们至今还没有一台量产的EUV光刻机。

但好消息是我们的DUV已经量产，EUV也在逐个环节攻克。

目前在芯片设计、封装、服务器集群通信等诸多领域，我们其实并不落后。

甚至因为有华为的存在，这些领域中很多技术我们都能后来居上。

现在唯一的短板就是EUV光刻机，一旦这个短板补齐，我们将迅速反超美国，半导体产业也将彻底被我们卷成白菜价。

之前我们科普过芯片生产的全过程，简单说大概就是7步。

第一步，设计电路图。

工程师用EDA软件设计出芯片的电路图，有几十层，每一层都像一张地图，上面画满了密密麻麻的线路和开关。

第二步，制作掩膜版，把电路图刻在一张石英玻璃板上，电路的部分是不透明的，其他部分是透明的。

第三步，涂光刻胶，在硅晶圆上涂一层光刻胶，它是一种特殊的化学物质，被光照射后会变性。

第四步，曝光，光刻机发出光线，透过掩膜版，照射到晶圆上的光刻胶，被照到的部分，光刻胶变性，没被照到的部分，保持原样。

第五步，显影，用化学药水清洗晶圆，变性的光刻胶被洗掉，没变性的保留下来，掩膜版上的电路图就被印到了晶圆上。

第六步，蚀刻，用化学气体或等离子体，把没有被光刻胶保护的部分蚀刻掉，晶圆上就出现了立体的电路结构。

第七步，重复，芯片有几十层电路，每一层都需要重复以上步骤，最终几十层电路堆叠在一起，就形成了完整的芯片。

光刻机的核心指标有两个，分辨率和套刻精度。

分辨率，就是能刻出的最细线条宽度，分辨率越高，芯片性能越强。

套刻精度，就是不同层电路之间的对齐精度，如果套刻精度不够，上下两层电路对不准，芯片就会报废。

我们现在用的DUV光刻机是深紫外光，波长193纳米。

这个光源用准分子激光器就能产生，技术非常成熟，成本低，稳定性高。

但想要获得EUV光源，可就比DUV困难得多。

第一步，用高功率激光器产生一束激光，功率高达几十千瓦，相当于几十台家用微波炉同时工作。

第二步，用这束激光轰击一个微小的锡滴，锡滴的直径只有几十微米，比头发丝还细。

第三步，锡滴被激光轰击后，瞬间变成等离子体，温度高达几十万摄氏度。

第四步，这个高温等离子体会发出极紫外光，波长正好是13.5纳米。

别看只有四步，但每一步里都有诸多难点。

首先是激光器功率，要产生足够的极紫外光必须达到几十千瓦，目前ASML的EUV光刻机使用的激光器功率超过30千瓦，这个功率级别，全球只有少数几家公司能造。

其次是锡滴精度，必须以每秒5万次的速度喷射，每次喷射的位置误差不能超过几微米，且每个锡滴必须被激光精确命中，否则就发不出极紫外光。

最后是收集效率，锡滴发出的极紫外光，只有不到1%能被收集起来用于光刻，其余99%都浪费了，而收集必须用巨大的反射镜，这个反射镜的精度要求极高。

EUV收集用到的光学系统跟DUV也完全是两码事。

DUV光刻机用的是透镜，光线穿过透镜后聚焦，把掩模版上的电路图投影到晶圆上。

透镜的制造技术非常成熟，德国蔡司公司是全球最大的光刻机透镜供应商，制造的透镜精度可以达到皮米级别。

EUV光刻机不能用透镜，原因前面讲过，因为极紫外光会被所有物质吸收，别说玻璃，就是在空气中也传播不了几毫米，就会被吸收殆尽。

所以，EUV光刻机必须在真空中工作，而且不能用透镜，只能用反射镜。

哪怕用反射镜，也不能用普通反射镜，因为普通反射镜表面原子依然会吸收EUV。

反射镜的镜面上需要镀几十层特殊的薄膜，每层薄膜的厚度只有几纳米。

当极紫外光照射到镜面上时，会在这些薄膜之间发生反射，最终被反射回来。

这种反射镜叫做布拉格反射镜，原理类似于肥皂泡上的彩色条纹。

但问题在于，这种反射镜的反射率很低，最好的布拉格反射镜，也只能反射70%的极紫外光。

而EUV光刻机需要多面反射镜，每面反射一次，光强就损失30%。

本来收集的光源就少，再加上经过这么多反射镜上的损失，最终到达晶圆的光强不到1%。

所以，EUV光刻机必须用极高的光源功率，才能保证最终有足够的光强来曝光光刻胶。

这个反射镜的制造又有3大难点。

首先镜面精度必须达到原子级别，任何微小的瑕疵，都会导致光线散射，影响成像质量。

其次是镀膜技术，反射镜上的薄膜层数多达几十层，每层的厚度必须精确控制到原子级别，任何一层的厚度偏差，都会导致反射率下降。

最后是热稳定性，EUV光刻机工作时，反射镜会吸收大量热量，导致温度升高，高温会导致镜面变形，影响成像质量，所以必须用特殊的冷却系统来保持镜面温度恒定。

刚才说，因为EUV光子能量过高，在空气中传播不了几毫米就被吸收了，所以需要运行在真空系统中。

DUV光刻机不需要真空系统，深紫外光可以在空气中传播，在普通洁净环境下工作即可。

而EUV对真空要求极高，真空度必须达到10的负9次方帕，相当于把空气抽到只剩大气压的百万亿分之一。

真空腔的体积巨大，超过100立方米，相当于几个标准集装箱。

而且还要求真空腔必须能快速抽真空和破真空，因为晶圆需要频繁进出真空腔，每次进出都需要抽真空或破真空，如果速度太慢，就会影响生产效率。

这里面又出现3个难点。

首先是真空泵，如此高的真空度需要多级真空泵串联工作，第一级用机械泵，第二级用分子泵，第三级用离子泵，每一级真空泵的技术要求都非常高。

其次是密封技术，任何微小的泄漏，都会导致真空度下降，所以所有接口都必须用金属密封圈密封，不能用橡胶密封圈，因为橡胶会释放气体。

最后是材料选择，真空腔内的所有材料，都必须能适配高真空环境，普通塑料会释放气体，不能用，普通润滑油会挥发，也不能用，所有部件都必须用特殊材料制造。

此外投影仪的幻灯片，也就是掩模版也有特殊要求。

DUV光刻机用的掩模版，是一张石英玻璃板，技术非常成熟，用电子束或激光直接在玻璃板上刻蚀就可以制造。

EUV光刻机用的掩模版，不能用石英玻璃，因为会被吸收，要特制极其复杂的结构。

底层是石英，中间是几十层布拉格反射膜，用于反射极紫外光，顶层是吸收层，用于吸收不需要的光线。

技术上还是有3个难点。

首先是反射膜的精度，这玩意层数多达40层以上，每层的厚度必须精确控制到原子级别，任何一层的厚度偏差，都会导致反射率下降。

其次是吸收层的图案精度要求高，必须用电子束刻蚀，对电子束的精度要求就极高，位置误差不能超过1纳米。

最后是缺陷控制，任何微小缺陷都会导致芯片报废，所以掩模版的制造必须在超洁净环境下进行，任何灰尘颗粒都不能有。

投影仪透过幻灯片打在屏幕上，这个屏幕表面覆盖的是光刻胶。

DUV光刻机用的光刻胶，是一种化学物质，被深紫外光照射后会变性。

这种光刻胶的技术非常成熟，日本东京应化、美国陶氏等公司是主要供应商。

EUV光刻机用的光刻胶，技术要求比DUV高得多。

因为极紫外光的能量极高，会直接破坏光刻胶的化学键，所以EUV光刻胶必须能承受高能辐射，同时保持高灵敏度。

于是EUV光刻胶就有了3个主要技术指标。

一是灵敏度，也就是光刻胶被极紫外光照射后，变性的速度，灵敏度越高，需要的曝光时间越短，生产效率越高。

二是分辨率，光刻胶能刻出的最细线条宽度，分辨率越高，芯片性能越强。

三是线宽粗糙度，也就是刻出的线条边缘的粗糙程度，粗糙度越低，芯片性能越稳定。

这三个指标是相互矛盾的，提高灵敏度，会降低分辨率，提高分辨率，会增加粗糙度。

所以，EUV光刻胶的研发，就是在三者之间寻找最佳平衡，于是又出现3个难点。

首先是材料选择必须能同时满足高灵敏度、高分辨率、低粗糙度的要求，目前全球只有少数几家公司能制造EUV光刻胶。

其次是金属污染控制，EUV光刻胶中不能含有金属杂质，否则会污染晶圆，导致芯片报废，所以纯度要求极高。

最后是稳定性，EUV光刻胶在存储和使用过程中，必须保持化学稳定，任何微小的变化，都会导致性能下降。

放晶圆的工作台要求也极高。

DUV光刻机的工件台，用于承载晶圆，并在曝光过程中精确移动，定位精度达到纳米级别，移动速度达到每秒几百毫米。

这种工件台的技术非常成熟，我们已经能制造DUV光刻机的工件台。

EUV光刻机的工件台，技术要求比DUV高得多，因为分辨率更高，对定位精度的要求也更高。

定位精度必须达到亚纳米级别，移动速度必须达到每秒几百毫米，在高速移动中，还必须保持极高的稳定性，任何微小的振动都会导致成像模糊。

这里也有3个难点。

首先是驱动系统，必须用直线电机驱动，直线电机的推力必须足够大，同时精度必须足够高。

其次是测量系统，必须用激光干涉仪或光栅尺来测量位置，精度必须达到60皮米（0.06纳米）级别。

最后是减振系统，必须用主动减振系统，来消除外部振动的影响，任何微小的振动，都会导致成像模糊。

投影仪放幻灯片的过程中需要操作，这就是控制系统，相当于光刻机的大脑。

DUV光刻机的控制系统，用于控制光源、工件台、掩模版等所有部件的协调工作，实时性高，可靠性高。

这种控制系统的技术非常成熟，我们已经能制造DUV光刻机的控制系统。

EUV光刻机的控制系统，技术要求比DUV高得多，因为EUV光刻机的部件更多，协调难度更大。

控制系统主要有3个难点。

首先是同步控制，有几十个运动轴，每个轴都必须精确同步，任何微小的延迟，都会导致成像质量下降。

其次是故障诊断，有超过10万个传感器，用于监测各部件的状态，控制系统必须能实时分析这些传感器的数据，及时发现并诊断故障。

最后是软件复杂度，控制软件代码量超过1000万行，这个复杂度，堪比一个大型操作系统。

当年我们被美国小院高墙封锁芯片时，我写过芯片的制造过程，很多事看起来难，那是因为你没有深入进去，面对黑盒自然不知所措。

只要我们把黑盒拆解成白盒，就算再复杂，大不了一项一项解决，别人做得出来，中国人自然也做得出来，我们从来不信邪。

目前已知的进展包括2024年哈工大成功研发放电等离子体的EUV光源，2025年中国EUV原型机取得诸多突破。

预计2026年聚焦DUV量产与EUV原型机性能提升，完成核心部件技术论证。

2028年推进EUV产线试产，提升光源功率与光学精度，验证5nm制程适配。

2030年实现EUV小规模量产，满足国内部分先进制程需求。

虽然我们距离量产EUV光刻机还有4到5年时间，距离最先进光刻机可能还有10年时间，但好消息是，芯片制程已经被量子隧穿效应锁死，极限就是等效亚纳米级别。

ASML现在只能原地踏步等我们。

而我们也没闲着，华为推出韬定律，在芯片设计和封装领域取得领先，而光通信又在机器间通信方面具有优势，更不用说在系统集成领域本身就是我们的强项。

可以说，现在万事俱备，只差EUV。

而一旦EUV取得突破，我们可就不只是追赶上那么简单，而会一举反超。

这也是为什么我不看好美股AI概念的原因，即便最好的情况下，他们砸钱砸出了AI盈利点，最后赚钱的依然是中国，具体分析可以读。

而作为一个中国人，现在可以说是满地捡钱的时代，政策要增加大家的财产性收入，听话等着捡钱就好了，至于怎么获得财产，读。

我的新书《善战》，以兵法突破认知，读了就停不下来……