中国芯片为何一直卡在光刻机上 它到底有多复杂？

荷兰ASML是世界顶尖光刻机的全球唯一生产商。

众所周知，航空发动机和光刻机分别代表了人类科技发展的顶级水平，都可以算得上是工业皇冠上的夺目的明珠。目前，我国航空发动机已经有了长足的进步，那么，我国的光刻机发展现状如何?这种誉为新时代“两弹一星”级别的“神器”我国能赶超欧美吗?特别是最近某科技媒体称，“是什么卡了我们的脖子—— 这些“细节”让中国难望顶级光刻机项背”，笔者根据公开资料解析我国光刻机最新进展。所谓光刻机，原理实际上跟照相机差不多，不过它的底片是涂满光敏胶(也叫光刻胶)的硅片。各种电路图案经激光缩微投影曝光到光刻胶上，光刻胶的曝光部分与硅片进行反应，将其永久的刻在硅片上，这是芯片生产的最关键步骤。 由于光刻机在芯片最后的封装，以及平板显示器件生产都可以用到，所以这里的光刻机一般特指芯片生产的前道光刻机。

由于前道光刻机技术极端复杂，经过多年竞争，目前由原荷兰飞利浦公司发展而来的ASML(阿斯麦)公司一家独大，占据大部分市场份额，日本的两家光刻机公司(尼康和佳能)苟延残喘，基本上已退出光刻机市场 ，就连科技最发达的美国目前也不能独自完整生产出前道光刻机 ，只要求掌握最关键技术，和拥有ASML(阿斯麦)公司关键控股权。一些言论认为：“作为集成电路制造过程中最核心的设备，光刻机至关重要，芯片厂商想要提升工艺制程，没有它万万不行，我国半导体工艺为啥提升不上去，光刻机被禁售是一个主要因素”。实际上，早在1971年，我国清华大学精仪系就成功研制出了“激光干涉定位自动分步重复照相机”，也就是前道步进光刻机原型。那时，现在的光刻机巨头ASML还未创立，可以说跟欧美光刻技术处于同一水平，进入80年代后，随着国家放慢了对半导体工业支持的脚步，面对飞速发展的国际半导体行业，我国却被远远甩在了后面。

进入21世纪后，我国重新开展了前道光刻机的研发工作，并成立了专门的研发公司——上海微电子装备有限公司(SMEE)。当时国外公司傲慢的说，“即使把图纸和元器件全部给你们，你们也装配不出来”。上海微电子装备有限公司进行集成式创新，终于于2007年研制出了我国首台90纳米高端投影光刻机，成为世界上第四家掌握高端光刻机技术的公司。据公开资料披露，由于该样机大量采用外国关键元器件进行集成，在得知我国研制出光刻机后，外国公司默契的进行了关键元器件禁运，样机成了摆设，无法投入商业化生产。公司不得不将产品开发投入到技术含量较低的后道封装光刻机和平板显示光刻机上来，并成功的占领了国内封装光刻机80%的市场，解决了公司生存危机，但我国芯片生产的关键难题并没有解决。

面对如此困难的局面，我国并没有泄气，认真梳理了前道光刻机的关键核心技术，决定开展全国科技大协作，投巨资和精兵强将攻下这一科研难关。第一道难关是光刻机的曝光光学系统，由数十块锅底大的镜片串联组成，其光学零件精度控制在几个纳米以内，ASML公司的镜头组由老牌光学仪器公司德国蔡司独家生产。该项技术由生产遥感卫星镜头的长春光机所和国防科技大学光学精密工程创新团队等联合攻关，已获得多项突破性成果。成功研制了含有非球面光学元件的投影光刻曝光光学系统，并在上海微电子90nm光刻机整机上获得了满足光刻工艺要求的85nm极限曝光分辨率的成果，并全面掌握了浸没式28nm光刻机以及更高水平的光刻机曝光光学系统，已批量生产110nm节点KrF曝光光学系统，值得一提的是，更短波长的极紫外EUV投影光刻机曝光光学系统也成功突破，获得EUV 投影光刻32 nm 线宽的光刻胶曝光图形。

第二道难关是光刻机的激光光源，据非官方消息称，上海微电子的光刻机光源就因为没有国产化，被西方公司卡脖子导致无法商用。光刻用准分子激光器光源需要窄线宽、大能量和高脉冲频率，这些参数互相矛盾，研制难度极大，目前经兼并组合后，全世界只有一家日本公司独立生产光源，其余皆被ASML公司收购。我科学院光电研究院等承担光刻机中的ArF准分子激光光源研发任务后，经9年努力，已完成国内首台 “65纳米 ArF 步进扫描双工件台光刻机曝光光源”制造任务和 “45纳米以下浸没式曝光光源研制与小批量产品生产能力建设”任务。以及20-40瓦 90纳米光刻机 ArF曝光光源批量化生产任务。第三道难关是光刻机工件台，为将设计图形制作到硅片上，并能在2~3平方厘米的方寸之地集成数十亿只晶体管， 光刻机工件台在高速运动下需达到2nm(相当于头发丝直径的三万分之一)的运动精度。

日本尼康株式会社的社长来我国访问时曾说过这么一句话：“光刻机光学系统虽然很难，我相信你们能够研制出来，但(双)工件台恐怕就拿不下来了，因为这个系统太复杂了。”我国的清华大学等单位经努力攻关，不仅做出了满足90纳米光刻需要的工件台，针对28至65纳米光刻配套的双工件台也已研制成功，使我国成为世界上第二个研制出光刻机双工件台的国家。第四道难关是光刻机浸液系统，进入65纳米以下制程后，曝光光学系统已不能满足需要，急需新的技术。台积电技术人员经研究，提出采用以水为透镜，激光光束透过“水”为中介，缩短成更短波长，并与ASML公司合作，研制出45纳米浸没式光刻机。就是这项发明使原有193纳米波长光刻机不断延续，芯片制程最低可达7到14纳米，台积电和ASML公司分别成为各自领域龙头企业。

我国浙江大学经多年研究，研制出浸液控制系统样机，为我国浸没光刻机的研制提供技术支撑。该项目研发成功后将推动国产光刻机一举超越Nikon和Canon的光刻机，成为全球光刻机生产企业第二名。随着上述四大关键技术的研发成功，ASML公司不得不与上海微电子重新建立合作伙伴关系，并声称，从来没有对中国出售最先进光刻机进行所谓的“禁运”，愿意随时给我国出口最高级的光刻机，笔者认为，再给我国5至8年时间，我国光科技技术将站上世界领先地位，那时，我国芯片产业将迎来一片曙光。