光刻机：从一粒沙子，到13.5纳米

作者：小江东去｜全文2670字

说明：本文资料主要来自企业公开信息、行业报告及媒体报道。由于半导体行业技术迭代较快，部分数据存在不同统计口径，本文仅作科普和信息分享，不构成投资建议。

01

芯片的起点，可以从沙子说起。

沙子的主要成分是二氧化硅。经过高温还原、提纯，再经过一系列复杂工艺，最终得到高纯度的单晶硅。它被拉成圆柱形的硅晶棒，再切割、研磨、抛光，变成一片片晶圆。

晶圆，就是芯片的地基。

接下来要在这块地基上造出晶体管和电路。

先在晶圆表面沉积薄膜，再涂上光刻胶。光刻机把设计好的电路图案通过掩模版投影到晶圆上，经过曝光、显影，光刻胶上形成对应的图案。随后通过刻蚀、离子注入、沉积、抛光等工艺，把这一层电路做出来，再进入下一层。

一个先进芯片，需要经过几十层甚至更多层复杂工艺。

所以，光刻并不是制造芯片的全部，却是其中最关键的一步。

它干的事情，说白了就是一件事：把电路图案准确地「印」到晶圆上。

问题是，这张图越来越小。

小到今天的工程师，已经不是在和毫米、微米打交道，而是在和纳米打交道。

这也是为什么光刻机最终变成了半导体工业里最难制造的设备之一。

高纯度单晶硅棒

02

光刻机最核心的指标之一，是分辨率——也就是它能够把多小的图案清晰地印到晶圆上。

按照经典的瑞利公式，想把图案印得更细，大致有三条路：缩短光源波长、提高数值孔径NA，以及降低工艺因子。

过去几十年，光刻技术走的基本就是这条路。

436纳米的g线，365纳米的i线，248纳米的KrF，再到193纳米的ArF。今天最先进的EUV光刻机，则使用13.5纳米的极紫外光。

13.5纳米是什么概念？

一根头发大约80微米，也就是8万纳米。13.5纳米只有头发直径的约六千分之一。

但这里有一个很容易被误解的问题：13.5纳米是光源的波长，不是芯片的制程，更不是芯片上电路线的宽度。

那么，为什么使用13.5纳米光源的EUV光刻机，可以制造3纳米、2纳米制程的芯片？

因为今天所谓的3纳米、2纳米制程节点，已经不是在说某一根线路的实际宽度。

早期制程节点确实曾经与晶体管的某个关键尺寸直接相关，比如栅极长度。但随着技术发展，这种对应关系逐渐消失。

今天的3纳米、2纳米更像是一个工艺节点名称，代表一整套制造技术和最终达到的晶体管密度、性能、功耗水平。

所以，我们不能在一块3纳米芯片上找到一根恰好3纳米宽的线，也不能单纯拿光刻机的分辨率去判断一块芯片究竟是3纳米还是2纳米。

光源波长、光刻分辨率、实际线路尺寸和制程节点，并不是一一对应的关系。

现代光刻还要依靠更高的数值孔径、计算光刻、光学邻近修正、多重图形化等技术，把有限的光学分辨能力进一步利用起来。

因此，所谓「3纳米」「2纳米」，真正值得关注的不是那个数字本身，而是同样面积的芯片里，能不能塞进更多晶体管，同时获得更好的性能和更低的功耗。

这才是先进制程真正的意义。

镜面抛光后的空白硅晶圆

03

光刻技术并不是一开始就这么复杂。

1950年代，贝尔实验室已经开始把照相制版技术用于半导体制造。

最早的光刻是接触式的。掩模版直接贴在晶圆上曝光，简单粗暴，但容易污染和损伤。

后来变成接近式，再后来进入投影式光刻。掩模版不再接触晶圆，而是通过光学系统把图案缩小之后投射到晶圆表面。

真正让光刻进入现代化的，就是这种投影式光刻。

1970年代以后，光刻机不断提高精度，光源波长也一路缩短：从436纳米的g线、365纳米的i线，到248纳米的KrF、193纳米的ArF，再到今天最先进的13.5纳米EUV。

光刻机行业最初也不是ASML一家独大。美国、日本、荷兰都有玩家。尼康、佳能曾经是这个行业最重要的竞争者，ASML则是后来者。

1984年，飞利浦与ASM International成立ASML。公司最初只是一个很小的项目。

改变ASML命运的，是浸没式光刻。

2000年代初，台积电工程师林本坚推动193纳米浸没式光刻方案：在镜头和晶圆之间加入超纯水，利用水的折射率提高数值孔径，从而继续提升193纳米光刻的分辨能力。

ASML押注了这条路线。2003年，它推出第一台浸没式系统；2006年，浸没式光刻进入量产阶段。

这一步非常关键。

因为芯片行业原本以为，193纳米光刻已经走到尽头，必须换更短的波长。结果通过浸没式技术、计算光刻和多重图形化，193纳米这条路又被硬生生延长了很多年。

ASML也由此逐渐超过尼康和佳能，成为光刻机行业的绝对龙头。

2024年，它占据全球光刻设备市场约94%的份额，尼康和佳能合计只有约6%。而在最顶尖的EUV领域，全球目前只有ASML能够提供量产设备。

投影式光刻简易原理示意

04

真正让ASML站上半导体工业皇冠的，是EUV。

EUV的全称是Extreme Ultraviolet，极紫外光。它使用13.5纳米波长的光，比193纳米的DUV短了一个数量级。

但问题也随之而来。13.5纳米的光，不是普通灯泡换个灯丝就能产生的。

EUV会被空气吸收，所以整个光路必须在真空环境中工作；普通玻璃也无法承担这个任务，因此不能使用传统意义上的透镜，而要使用极其复杂的反射镜系统。

ASML的EUV设备通过高速激光轰击锡液滴产生等离子体，从而产生13.5纳米极紫外光。

这意味着一台EUV光刻机实际上是一套光学、机械、真空、材料、激光和软件系统的超级集合体。

ASML自己把EUV称为一场持续约20年的研发历程。

2010年，第一台EUV原型机出货；经过多年研发，EUV最终进入高端芯片量产。今天，能够商业化制造EUV光刻机的只有ASML。

但这并不意味着一台机器全部由荷兰制造。恰恰相反，EUV是全球化工业体系的极端产物。

德国蔡司负责最关键的光学系统，美国、日本等国家的企业提供大量零部件、材料和技术，ASML负责把这些东西整合成一台可以工作的机器。

ASML目前拥有约5100家供应商。2025年，公司销售额达到327亿欧元，研发投入47亿欧元。

所以，ASML真正可怕的地方，并不仅仅是它拥有一项技术。

而是它把全球数千家供应商、几十年的技术积累和大量专利，组织成了一套几乎无法复制的工业体系。

这才是光刻机最难的地方。

布满芯片单元的成品晶圆，一块圆片可切割出数百枚芯片

05

中国现在在什么位置？

答案没有那么悲观，但也远没有一些标题写得那么乐观。

国内光刻机企业中，上海微电子是最重要的参与者之一，也是目前国内唯一具备前道光刻机整机量产能力的企业。其600系列前道光刻机已经实现90纳米级产品的产业化，更先进的65纳米和28纳米浸没式DUV光刻机也在持续推进。

但这仍然意味着，中国国产光刻机与世界最先进水平之间，隔着不止一个制程节点。

中国真正值得注意的变化，发生在更广泛的半导体设备领域。

根据Global Net的2025年全球半导体设备销售排名，北方华创排名第五，中微公司排名第十三，上海微电子排名第二十。中国首次有三家半导体设备企业同时进入全球前20。

需要特别说明的是，半导体设备是一个大类，光刻机只是其中的一种。

刻蚀、薄膜沉积、清洗、检测、离子注入等设备，同样决定着一块晶圆最终能不能变成芯片。

中国在刻蚀、薄膜沉积等领域已经出现了能够参与先进制程竞争的企业，但光刻机依然是最难啃的一块硬骨头。

尤其是EUV。

2025年年底，据媒体报道，中国已经在深圳建成一台EUV原型设备，并成功产生13.5纳米极紫外光。

这当然是一个重要突破，但产生EUV光，距离真正用EUV光刻机制造芯片，还有很长一段路。

报道援引的消息人士认为，中国团队可能在2028年前后尝试制造芯片，但2030年前后更现实。

所以，中国现在的位置其实很清楚：

我们已经不是过去那个只能依赖进口光刻机的中国，但距离能够独立制造最先进EUV光刻机的国家，还有明显差距。

从沙子到硅片，从硅片到晶体管，从436纳米到13.5纳米，人类用了几十年，把一台光刻机变成了今天这个庞然大物。

它最终做的事情其实始终没有变：把一张电路图，准确地印到一块硅片上。只不过这张图，如今已经小到了人类肉眼永远不可能看见的尺度。

ASML花了四十年，才把一台机器做到今天这个地步。它不是靠某一个天才的灵光一现，而是靠几千家供应商、几代工程师、几十年不间断的试错和迭代堆出来的。

中国在这个赛道上的位置，现在虽然不在塔尖，但已经在塔基站稳了脚。从90纳米到28纳米，从光刻机到刻蚀机，每一步都是台阶。台阶不会自己出现，只能由我们一步一步往上搭建。

上海微电子SSA600系列90nm前道光刻机

全文终