光刻机制造瓶颈在哪里？

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光刻机制造瓶颈在哪里？

很多人都说光刻机的制造难度超越了原子弹，这绝不是夸张的。

荷兰ASML 生产的EUV光刻机

光刻机是干什么用的？—制造芯片的设备；

光刻机的原理是什么呢？—简单的来说就是冲洗照片，不同的是洗照片是把底片放大，光刻机是把底片缩小；

洗个照片为什么这么难呢？

举个例子：

在A4纸上画电路图，你会觉得简单；
在邮票上画，你会觉得困难；
在大米粒上雕刻呢？你觉得难上加难；
如果把这粒米固定在汽车挡风玻璃上，你在另一辆汽车上雕刻，而且两辆车的车速不能低于100迈，你有什么感觉呢？是不是崩溃了？

这就是光刻机的难度，而且仅仅是一部分。我们一起来看看光刻机的制造瓶颈有哪些吧！

首先来介绍一下光刻机

光刻机又名曝光机，是生产大规模集成电路的关键设备，将电路结构临时"复制"到涂有光刻胶硅片上的过程，制造和维护需要高度的光学和精密制造技术。高端光刻机被称为“现代光学工业之花”，制造难度很大，全世界只有少数几家公司能制造。

很多媒体都说：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，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、面板光刻机。通常情况下我们把面板光刻机叫做曝光机。

应用在LED产品上的光刻机不需要太高的精密度，价格也比较低，通常不足上千万。这类的光刻机绝称不上是皇冠上的明珠。

只有ASML制造的EUV光刻机，才称得上是皇冠上的明珠。

目前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。

目前主流手机芯片，高通骁龙、苹果A系列、联发科天玑、华为麒麟芯片，已经进入7nm、5nm时代了，而能够达到这个工艺的的光刻机只有ASML的EUV光刻机。

日本尼康最先进的DUV光刻机分辨率可以低于38nm，可用于制造工艺制程不超过7nm的芯片。而佳能的工艺水平还不如尼康。因此，台积电、三星、英特尔等大厂只能向ASML下订单了。

2020年全球光刻机销量为413台，其中ASML销量为258台，占比62%；佳能销量为122台，占比为30%；尼康销量为33台，占比为8%。可以看出ASML有非常大的优势。

再看销售额，ASML占比为91%，尼康占比为6%，佳能占比为3%。ASML处于绝对优势。

也就是说日本两家公司合起来也不到全球10%份额，差距太远了。

全球光刻机市场也就130亿美元，ASML仅EUV光刻机就卖了53亿美元。

总之，高端光刻机已经被ASML所垄断，ASML已经是碾压般的存在了，拥有绝对的市场领导地位。

技术及零部件瓶颈

EUV光刻机核心技术集中在四大领域：光源、镜头、工作台、安装调试。

光源：

极紫外光系统来自于美国公司Cymer，一种波长极短的极紫外光，技术要求非常严格。

EUV光源是高能二氧化碳激光打在只有30微米一滴一滴的金属锡滴上产生的等离子体。从而产生的一种波长极短（13nm）的极紫外光。

当极紫外光穿透物体时，会产生很大的散射吸收效果，最终能效仅剩下0.2%，因此必须配置非常强大的光源系统。

由于空气也能吸收极紫外光，所以机器内部整个光路都做成真空的。即使这样，到达光刻胶时光能量损失已经超过95%甚至更多。

正是由于极紫外光极难产生，而应用在光刻机上又损失超过了95%，导致能效转换率仅为0.2%，这样的技术瓶颈导致EUV光刻机每年产量非常少。

镜头：

高精度镜头采用蔡司技术，蔡司是德国历史悠久的光学仪器厂商，其产品向来是“高贵”的代名词。虽然已有百年历史，但蔡司仍然是与昂贵和高质量的光学镜头联系在一起的。蔡司镜头通常被认为是一流的、设计优良的，是能产生高画质图像的。

同样的一个镜片，不同工人打磨，光洁度相差十倍。镜片材质均匀，更需要几十年甚至上百年的技术沉淀。

EUV光刻机采用的镜头要求：

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，这相当于是北京到上海做根铁轨起伏不超过1毫米。

为什么对镜头的要求如此苛刻呢？因为一片镜头产生的误差也许影响不大，但是几十片、几百片镜头累计的误差将会产生巨大的误差，完全能够决定芯片是否合格。

据相关资料显示，193nm的最新光刻机里镜头加起来就有一吨重，那么5nm工艺的光刻机呢？镜头会更多，要求也会更高。

因此这些镜头只能交给蔡司生产，几十层硅钼等复合材料组成，每层只有几纳米厚，目的是刚好根据EUV的波长叠加反射最多的光。

而这些镜头的打磨也绝非容易的事，很多都是干了几十年的老工人，有的甚至是子承父业，全家几代人都在一个岗位上。

对于镜头的严苛，导致了EUV光刻机也无法大规模生产。

工作台：

精密工作台，工作台要求：绝对稳定的工作环境，芯片的曝光必须在真空中，并且采取恒温技术，工作室的空气要比外界干净1万倍，工作台高速运动期间，系统不能振动。而光刻机要多的事情，就好比在真空、恒温、无尘、高速运动的环境中，在一粒米上雕刻清明上河图，机械动作误差为微秒（百万分之一秒），这些基本都是挑战人类极限的工作。

安装难度：

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，没有系统的培训，根本无法完成安装调试。

而EUV光刻机在制造芯片时候，如果工作室恰好在地铁上方，而此时又恰好有一辆地铁通过，那么很大概率上，这批芯片费了。

因为光源、镜头、工作台、工作环境、安装调试的苛刻，导致EUV光刻机每年仅能生产十几台，而这十几台也被台积电、三星、英特尔瓜分完毕。

日本垄断了光刻机所需的化学材料

除了光刻机这样的关键设备，材料的重要性同样不容忽视。

光刻胶：又称光致抗蚀剂，具有耐蚀刻的性能，当通过紫外光、电子束、X射线等的照射时，溶解度发生变化。

光刻胶通常由感光树脂、增感剂和溶剂组，常用于芯片制造，半导体加工领域。

在集成电路制造工艺中，光刻工艺的成本占比高达35%，耗费的时间占比达到40%-60%。由此可见，无论是光刻机还是光刻胶，都会对技术有非常高的要求。这也导致，光刻胶具备市场集中度高、客户壁垒高以及技术壁垒高的特点。

然而就像光刻胶这类高科技材料，也被国外企业把控着，例如：日本的东京应化、信越化学等。

这些企业在半导体光刻胶细分领域的总份额高达85%。而中国在这方面几乎没有话语权。

更为恐怖的是，制造半导体需要19种必须材料，而且缺一不可，每一种材料都有行业壁垒，而这个壁垒就是日本企业—信越化学。

信越化学1926年诞生于日本，是高科技材料的超级供应商，其半导体硅、聚氯乙烯等原材料的供应在全球首屈一指。目前信越集团制造的高性能有机硅产品多达 4000 多种，现已广泛应用于电子、电气、汽车制造、机械制造、化工、纺织、食品工业以及建筑工程领域。

全球70%的半导体硅材料由信越化学提供。更重要的是半导体所需的19种必需材料，日本掌控了14种。如：硅晶圆、合成半导体晶圆、光罩、光刻胶、药液、靶材料、保护涂膜、引线架、陶瓷板、塑料板、 TAB、 COF、焊线、封装材料等14种重要材料方面均占有50%及以上的份额。

可以说日本半导体材料行业在全球范围内长期保持着绝对优势，而没有这些材料，芯片是无法生产制造的。

政策难度

ASML每年制造的光刻机有一半卖给了台积电，剩下的一半被三星和英特尔瓜分。其他公司根本就买不到。

很多网友不解，我们多加点钱不就可以买到了吗？其实情况远非如此简单。

早期阿斯麦进军光刻机领域时候，只是一个名不见经传的小企业，根本无法与日本的尼康相提并论，该公司资金一度匮乏，濒临破产之际，其客户台积电、三星、英特尔向其注资，并提供技术支持，最终在阿斯麦脱颖而出，成为光刻机龙头。

但是，天下哪有免费的午餐呢？阿斯麦签署了相关协议，优先向公司股东提供最尖端的设备，而这些股东之中就包括台积电、三星、英特尔。因此，每年阿斯麦的EUV光刻机有一半被台积电买走，其余的被三星和英特尔买走。

这种大股东优先购买权，就造成了先进工艺牢牢掌握在台积电、三星、英特尔这类企业手中，其他公司无法与其争夺市场。

1996 年的《瓦森纳协定》

瓦森纳协定是西方国家为了技术封锁签署的一份文件，其主要目的就是为了监督和控制常规武器和先进材料、设备及技术转让。

该协定包括有美国、日本、英国、俄罗斯等42个成员国，其中33个国家于1996年7月在奥地利维也纳签署了《瓦森纳协定》，随后9个成员国也加入了该协定。

瓦森纳协定包含两份清单，一份是军用，涵盖了各类武器弹药、设备及作战平台等共22类；

另一份为军民两用：涵盖了先进材料、材料处理、电子器件、计算机、电信与信息安全、传感与激光、导航与航空电子仪器、船舶与海事设备、推进系统等9大类；

中国不是《瓦森纳协定》成员国，因此在被禁运国家之列。

也就是说根据这份协定，光刻机上的核心技术是不能够出售给中国的，当然成品和配件也是禁止的。

我国的光刻机处于什么技术水平，能否突破制造瓶颈呢？

我国的光刻机生产企业是上海微电子，工艺制程为90nm，仅能用于低端芯片的制造。在国内低端芯片市场份额超过80%，也有部分销往国外。

如果把光刻机划分为三个档次的话，上海微电子排在末尾：

荷兰ASML垄断了高端光刻机市场，代表作：EUV光刻机；
日本尼康和佳能占据了中端光刻机市场，止步于28nm；
上海微电子只能占据低端光刻机市场，90nm光刻机。

90nm与5nm技术相差5代，这5代需要20年的技术积累。在美国对技术和零部件的封锁下，难度更大。

ASML的EUV光刻机研发了20多年，荷兰、美国、日本、德国等几十个国家，上百所研究单位在无数个日日夜夜，无数次失败之后才研发成功的。

可以说EUV光刻机集成了世界顶级技术。为我国却要凭一己之力完成，可想而知这是多么大的难度。

ASML高管就曾经说过：“即使他们公开EUV光刻机的图纸，现在也没有哪家公司能够山寨”。那么真的如此吗？

从光源、镜头、轴承等多个配件研究分析得出，EUV光刻机需要的科学技术包括：高分子物力与化学、表面物理与化学、光学、软件、数学、自动化、流体力学、机械、精密仪器、图像识别等。

首先人才，我们目前根本就没有这么多的人才储备，而培养人才少则10年，多则几十年。

有了人才，还要突破专利限制，这条路会更难走。当年制造原子弹的时候，还有苏联帮忙提供基础工业，又有钱学森、钱三强、邓稼先等科学家。

现在呢？除了99岁高龄的杨振宁，还有哪位科学家能超过这三位呢？

当然，我们也不要气馁，毕竟这几年我国在该领域还是有些成果的：

2018年8月份，清华大学研发出了双工作台光刻机，这使得我国成为全球第二个具备开发双工作台光刻机的国家；
2018年11月，中科院光电究所研制出“超分辨光刻装备”，该装备采用365nm波长的紫外光单次成像，实现了22纳米的分辨率，结合双重曝光技术后，未来还有可能用于制造10nm级别的芯片；
2019年4月，武汉光电研究中心采用二束激光在自主研发的光刻胶上突破了光束衍射极限，成功刻出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。

尽管路漫漫而修远，但是只要有决心有信心，在不断的创新努力下，我国定能够攻克高端光刻机。

问答总结

光刻机的制造瓶颈在于：极紫外光源、高精度镜头、精密设备的安装调试、化学材料。每一种技术都需要几年、甚至几十年的努力才能突破。

这些技术是集合全球顶尖企业、科研机构、高校才达到的高度，如今却需要中国凭一己之力突破。这困难可想而知。

中国在光刻机领域的路还很远很远，我们除了努力，别无选择，加油吧！我伟大的祖国！

我是科技铭程，以上是我的回答，希望可以帮到您，如有不妥之处，敬请批评指正！

光刻机的技术难度在于“技术封锁”，一台顶级的光刻机关键设备来自于西方发达国家，美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等，这些顶级零件对中国是禁运的。所以，ASML曾说“即便给你们全套图纸，你们也造不出来”。

光刻机是“人类智慧集大成”的产物

环顾全球，最先进的7nm EUV光刻机只有荷兰的ASML（阿斯麦）能够生产，超过90%的零件向外采购，整个设备的不同部位同时获得了全世界最先进的技术，因此可以在日新月异的芯片制造业取得竞争优势。

最顶尖的光刻机集合了很多国家的技术支持，是多个国家共同努力的结果，德国为ASML提供了核心光学配件支持，美国为ASML提供光源支持及计量设备的支持，ASML要做的就是做到精确控制。7nm EUV光刻机包含了5万多个零件，13个系统，误差分散到13个分系统中，德国的蔡司光学设备不精准，美国的Cymer光源不精，都可能造成很大的误差。

与德国、瑞典、美国等一些西方国家相比，我国的芯片制造以及超级精密的机械制造方面不具备什么优势，没有超级精密的仪器，自然就很难造出顶级的设备，无法造成顶级的芯片。最关键的是，这些超级精密的仪器根据《瓦森纳协定》对中国是禁运的。

国产光刻机的“差距”

目前国内技术领先的光刻机研制厂家是上海微电子装备有限公司（SMEE），可以稳定生产90nm制造工艺的光刻机，相比ASML的7nm制程差距还是比较大的，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。同样正是SMEE推出90nm制程的光刻机后，ASML对中芯国际的7nm光刻机订单放行，其中的奥妙大家不难想象。

既然国产光刻机与国外差距那么大，可以通过购买的方式解决吗？答案是很难，有钱买不到。

原因1：只有投资了ASML的，才能获得优先供货权，而英特尔、三星、台积电拥有ASML很大的股份。ASML的高端光刻机产量有限，2018年18台，2019年30台，其中台积电获得了18台，我国的中芯国际1台。

原因2：《瓦森纳协定》的限制，瓦森纳协定有33个成员国，中国不再其列，主要目的是阻止关键技术和远见流失到成员国之外，在半导体领域，受限于该协定，在芯片制造、封装、设计等方面，我国一直无法获得国外最新的科技。

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制造光刻机最大的瓶颈只有三个“光源+镜头+掩膜台”，搞定了这三个瓶颈之后，剩余的小瓶颈就靠精加工实力了。由此可知，光刻机的研发涉及的领域太多太多了，基本上就是精加工，也只有强大的工业化国家才具有生产制造先进光刻机部件的能力。

光刻机的研制难点之一:光源

与早已面世的DUV光刻机的Arf准分子光源不同。EUV光刻机的光源是波长为13.5纳米的EUV光源。该光源必须具有“功率大，控制精准”的特点。就以Cymer公司为ASML研发的极紫外光源为例，该光源波长为13.5纳米，经过收集后的功率为250W。该光源产生的二氧化碳激光必须要精准的打击到由发射装置发射出每秒高达5万滴的纯锡滴靶上面。另外，每一滴锡滴靶的直径为30微米，锡滴被蒸发后还不能污染反光镜。由于EUV光源的波长极短，在大气中也能够被吸收，所以光所走的路径要被制造成真空的。所以说，EUV光源的难点就在于大功率和精准控制上。

光刻机的研发难点之二:镜头

由于EUV的光源太短，除了会被空气吸收之外，还会被玻璃吸收。这也是EUV光刻机不能使用玻璃透镜，而必须使用反光镜的根本原因。前面也说了，玻璃会吸收EUV光波，所以反光镜的镜面不能使用玻璃，而用的是钼和硅制成的特殊膜镀到反光镜镜面上才有效果。另外普通的镜面也达不到反射所有光波的效果，这里就用到布拉格反射器了。还有就是，要求反光镜的镜面凸起幅度不能超过0.3纳米，而镜面的直径为30 厘米。这种难度可以想象以下，基本上就相当于京沪线的轨道起伏不超过1毫米，所以对光学加工技术要求极高，世界上能够制造出这样镜头的国家太少太少了。虽然，布拉格反射器的反射效率极高，但是美经过一次反射，都要损失十分之三的能量，而ASML的光刻机中有11个反光镜，也就是说光源要经过11次反射才能到达晶圆。这其中损失的能量可就不小了，最终基本就剩余2%的光线了。这也是对光源导弹功率要求较大的原因之一。

光刻机的研发难点之三:掩膜台

掩膜台的作用就是就是承载掩膜版运动的部件，它的运动精度是纳米级别的。基本上掩膜台的运动人眼根本就看不出来，毕竟是纳米级别的。要用什么样的控制设备才能使掩膜台的运动为在纳米级别是一个难题。所以说，最终又回到精加工领域了。

光刻机中比较重要的除了光源，镜头，掩膜台之外，还有就是双工件台了，一个工件台用于制造芯片，另一个则用来测量，为下一个晶圆做基础。其他就是轴承之类对加工精度要求极高的部件了。总而言之，光刻机是集世界技术和精加工于一体的设备，制造难度极大。

答：光刻机作为晶圆加工的关键设备，其核心技术一直被国外垄断，荷兰的ASML掌握着这个行业的尖端市场，ASML的EUV已经达到10nm，我国中芯国际自主研发的光刻机还在90nm，所以差距还是很大的。

其瓶颈有以下几点总结：

瓶颈一：技术人才的欠缺

这也是最关键的一环，钱能解决的问题都不是问题，问题是这一环不是钱能解决的。

在上世纪末，集成电路技术刚起步，我国的起步还不错，至少没有落后太多；但是三十四年过去了，国外已经积累了大量的技术经验和人才储备，但是我们国家在这方面却落后了很多。

其中原因是多方面，该领域人才的重视程度、国家的扶持，国内环境等等。

当然，目前国家已经注视这个行业的重要性，不过人才的积累真不是几年就能起来的，比如外国的专家就成说过：就算给我们全套的图纸，我们也制造不出来。

瓶颈二：相关行业的技术

光刻机是一个极为复杂的设备，其中数万个机械零件都需要尖端技术，比如：镜头。

这是光刻机的关键零件之一，ASML的镜头来自德国蔡司，了解镜头领域的人，应该清楚蔡司的镜头制作水平。

而我们国家在这方面落后很多，目前为止，国内也没有一家镜头生产公司，能匹敌佳能、尼康和蔡司。

上海微电子的总经理说过，他在德国看到的抛光工人，其祖孙三代都是负责这个工序，同一个镜片，换成其他工人来打磨，其精度会相差非常大。

所以，光刻机的生产，不止关系着一个领域的资源，而是考验各个产业的综合能力。

瓶颈三：源源不断的资金

虽然说不是钱能解决的，但是这是一个烧钱的行业，我们现在连钱都是问题。

首先，光刻机的研发是天文数字，每年数以百亿的资金投入，如果没有强大的资金贮备和产品收益，是很难维持研发的。

ASML受《瓦森纳协定》的控制，对中国的光刻机实行限制性封锁，什么意思？

比如中国一但在该领域有了进展，ASML就对中国解禁一层，你研制出90nm的光刻机，那么我开放75nm，你研制出50nm，我就开放35nm。

就这样一步一步打压着中国，使得中国在技术上取得的进步，无法在市场上产生效益，从而打击中国企业研发的积极性。

这时候，除非有强大的企业甚至国家的资金扶持，不然根本承受不起国外的打压，说白了就是需要源源不断的资金投入，而且还是看不到效益的投入。

以上三个方面，都是光刻机制造的瓶颈，中国的研发需要不忘初心，坚持自主道路，加大国家扶持，打破外国技术封锁，才能脱离困境。

好啦！我的答案就到这里，喜欢我们答案的读者朋友，记得点击关注我们——艾伯史密斯！

巨大的资金，专业的人才，高精尖的技术，都奇缺无比，中国光刻机的水平真是连人家的尾气都吃不到。我们从钱、人、技术三个方面都说一下。

拿到图纸也生产不出来的技术差距

一台先进的光刻机能有5万多个零件，设计生产并不容易，光刻机的原理并不难，看下图就知道了，难点是里面的每一步都要求最先进的工艺和零件。

光源和镜片都是很核心的东西，光源提供者Cymer是世界领先的准分子激光源提供商，现在被ASML收购了。光源很复杂，说一下大家熟悉一些的镜片，ASML的镜片是蔡司提供的，这个反射镜要求多高呢？瑕疵大小仅能以皮米（纳米的千分之一）计。ASML总裁暨CEO温彼得（Peter Wennink）曾经形象的表示，如果反射镜面积有整个德国大，最高的突起处不能高于一公分高。这样的工艺，佳能和尼康都放弃了。

有顶级的镜头和光源，没极致的机械精度，也是白搭。光刻机里有两个同步运动的工件台，一个载底片，一个载胶片。两者需始终同步，误差在2纳米以下。两个工作台由静到动，加速度跟导弹发射差不多。SMEE(中国生产光刻机的上海微电子)总经理贺荣明说：“相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，不能刻坏了。”

巨大的资金缺口

半导体行业是资金密集型企业，产业链的各个环节都是如此。截至2016年年底，国家集成电路产业投资基金股份有限公司＂大基金＂两年多来共决策投资43个项目，累计项目承诺投资额818亿元，实际出资超过560亿元。涉及半导体的设计、制造、封装等各个环节，看着很多吧。我们看一下生产光刻机的ASML在2017年一年的研发费用投入——12.6亿欧元，约合人民币97亿！你想追赶？800亿全投到这上面也不行，因为还有很多核心的核心零部件做不出来，比如上面说的反射镜。佳能和尼康最后竞争失败很大程度上是因为投入资金过于巨大，而ASML在2012年为了解决资金的问题让Intel、三星、台积电入股。