关于国家工信部突然官宣的“国产光刻机” 你需要知道的10件事

这两行，是什么意思？是连一个形容词都没有，就突然静悄悄地官宣了中国自己的新光刻机吗？

下面那款光刻机的介绍里，怎么还有一个“≤8nm”？天哪，那不就是突破了卡脖子的“7nm”？

很快，有人说：太好了。轻舟已过万重山，实锤了。中国终于有了自己的7nm光刻机，可以造出自己的7nm芯片，不怕再被卡脖子了。

可是，还有人说：别激动。只是误会。那个“8nm”不是重点，它上面那个“65nm”才是。国产芯片还只在65nm的水平，努努力最多也就能够到28nm，离7nm还远得很。

两种声音，两种节奏。

不知道，你听完是什么感觉？

“造出7nm芯片”，到底是个什么概念？做到这件事，真的很了不起吗？国家工信部《目录》里的那寥寥几个字，又意味着什么？我们在芯片上的脖子，还卡着吗？

我的感觉是，或许，可以先晚点再“感觉”。因为，对于大部分人来说，造芯片这件事，太陌生了。

比如，随便看一句新闻：

“此次官宣的国产光刻机，是一个套刻≤8nm，分辨率65nm，干式，波长193nm，DUV光刻机。”

句子不算长，没有一个生僻字。但，如果不是对这行有了解的专业人士，有多少人能看懂？又能看懂多少个词？

或许，要真的对这件事有概念，不被轻易带节奏，至少得先了解10件事。

先从，1年前刷屏的那件开始。

一声惊雷

一年前的8月29日，华为Mate60 Pro手机，在没有任何宣传的情况下，突然开售。

紧接着，那几天从各大热搜榜，到我的朋友圈，都被一个词刷屏了： 7nm芯片。

很多第一批抢购到这款手机的人，无论国内国外，都在不约而同地做一件事：拆。

把手机里的那块麒麟9000S芯片拆出来，跑分，验性能，看做到了什么水平。

结论是：这可能真的是7nm芯片。

一声惊雷。

很多人都在感慨：“最难的时候已经过去了，轻舟已过万重山。”

为什么这么说？要做出一颗7nm芯片，到底有多难？真的很了不起吗？

刚好，那段时间我的直播间请来了《芯片战争》的作者，余盛老师。我也借此机会看了一些资料，请教了一些朋友。

了解了一圈后，我越来越有一种感觉：

要造出7nm芯片，真的需要越过万重山。

如果能越过，真的了不起。

这种了不起，真的值得你知道。

所以今天，我帮你梳理了一下。

资料有点硬核，我争取用普通话来和你说。

先说，那个让很多人起立惊呼的“7nm”。

7nm

首先一个最底层的问题：这个7nm，指的到底是什么？

为什么都在关心这个数字，很厉害吗？

这件事，还得从你说起。

你去买手机时，是不是 要它性能强，要它续航长，还要它轻薄身材好？

这三个要求，传到芯片的世界里，就变成了三个“终极KPI”：

PPA。

Performance 性能 、Power 功耗 、Area 尺寸。

这个PPA落到制造芯片的厂商那里，又变成了一个“小目标”：

把更多的晶体管，塞进更 小的芯片里。

主打一个既有更多干活儿的员工，能帮你做更多更大的项目，又少耗你的电，少占你的地。

可是，员工太多，塞不下怎么办？

解决方案很过分：让员工减肥。

晶体管的构造里，有一道“沟”，很有点减肥的空间。

所以，注意，最开始聊芯片，说“你这是28nm芯片”，“我这是14nm芯片”时，28nm, 14nm，指的并 不是芯片的大小，不是晶体管的大小，也不是晶体管和晶体管之间的距离，而是晶体管里的这个“沟道宽度”。

但是后来，聊着聊着，卷起来了。28nm，14nm，7nm……

卷到“7nm芯片”时，“沟道宽度”是不是真的减到了7nm，已经不是重点，各有说法了，但本质没变：

更小的纳米制程，就意味着更好的PPA，可以在更小的“办公室”里，塞下更多“员工”。

塞多少算够？

做出14nm芯片，意味着要在每1平方毫米里，塞下3千多万个晶体管。

做出7nm芯片，则意味着要在每1平方毫米里，塞下近1亿个晶体管。

翻倍的能干。但也，翻倍的艰难。

而这，仅仅只是“过万重山”的一个开始。

因为，光塞得下还不够，你怎么才能在指甲盖那么点地方，把这成万上亿的员工，安排得明明白白？

光刻

没错，就是靠那个听上去就很贵的办法：光刻。

靠光，怎么刻？

这事，说复杂，可以很复杂。一台光刻设备，十万多个零件，价格动辄上亿美金还不包邮，算下来比一台波音737还贵。就只为能干成这件事。

但说简单，也很简单。 你看过电影吗？

传统的胶片电影放映时，会先打出一束光，让光线穿过一个像放大镜一样的镜头，再穿过一层电影胶片，就能把胶片上的图案，投射到银幕上。

光刻也类似。也是打出一束光，穿过一组透镜系统，再穿过一层掩膜版，就能把掩膜版上刻着的电路图，投射到制作芯片的衬底，也就是晶圆片上。

区别只在于，放电影，是用“放大镜”，把小图投成大图。光刻，则是用“缩小镜”，把大图投成小图。

用光的投射做杠杆，真聪明。

可是，到这一步，也只是清楚地描好了边，知道接下来往哪儿下手。

但，怎么下手？

一张7nm芯片的电路图，要把几十上百亿个晶体管和其它电子元件，都安排得明明白白。

并且，从晶体管，到连接晶体管的导线，都精细到了纳米级，比你家菜刀的刀刃还要细上10万倍。

有行业里的人曾形容： 这就相当于要在一个指甲盖大小的地方，刻出整个上海。而且不能刻漏一间房，不能刻歪一条路。

太疯狂了。这要怎么刻？怎么刻，才能 “快、准、稳”地刻出这种电路图的沟沟壑壑？靠激光吗？

一开始，也不是没人试过。

可是，激光直写，纳米压印……一个个方法试下来，有的很贵，有的很慢，还有的很容易报废， 很难商业化，谁这么刻谁亏钱。

直到，有人发现了一个非常有想象力的方法：

曲线救国。用光刻胶。

光刻胶

什么是光刻胶？

光刻胶，是一个对光挺敏感的东西。

一旦被特定波长的光照到，就会发生化学反应。

本来很硬气的，一照就怂了，变得能很轻易就被化学溶剂洗掉。

拿捏住这一点，光刻就有了全新的解题姿势：

不靠一笔一笔地物理雕刻，而靠一层一层地化学腐蚀。

涉及的工艺虽然很多，但思路大体上和“把大象关进冰箱”也差不多，主要就四步：

第一步，涂胶。往芯片的原材料，也就是晶圆片上，均匀地涂上一层光刻胶。

第二步，打光。让特定的光束，透过画了电路图的掩膜版。

有线条遮着的地方，光透不过去，光刻胶还是本来的脾气。

没线条遮着的地方，光透过去了，和光刻胶一照面，光刻胶就变成了另一种脾气。

第三步，洗胶。把两种脾气的光刻胶所覆盖的晶圆片，放进特定的化学溶液里。

那些脾气相对更软的光刻胶，会被溶解，电路图，也就在光刻胶层显示出来了。

第四步：蚀刻。把晶圆片放进腐蚀液里。

光刻胶依然没被溶解的地方，相当于覆盖了一层保护膜，而光刻胶被溶解了的地方，会直接接触到腐蚀液，被“快、准、狠”地蚀刻出与电路图相对应的沟沟壑壑。

光、掩版、光刻胶、晶圆片，再加上各种化学溶液。

原以为难于上青天的物理题，突然就变成了一道平平无奇的化学题，被攻克了。

这，就是现在主流的光刻方式：

先像放电影一样，把电路图投影到衬底上；

再像洗照片一样，把电路图蚀刻到芯片上。

这样看上去，光刻也不算难啊。

看上去不。

但这里有一个关键难点，光的波长。

波长

要刻出纳米级精细的电路图， 至少，你手里的刀，也得足够精细吧。

怎样获得一把更精细的刀？

当你的刀是不锈钢做的时，你只要把刀刃磨锋利就行。

但当你的刀是一束光，你什么也磨不了时，怎么办？

从刀的材料源头解决： 波长越短的光，天生刀刃越锋利。

因为波长越短的光，衍射的扩散角度越小，换句话说，就是越会乖乖走直线，不糊不乱跑，你指哪儿它打哪儿。

那还不简单，打开光谱图，直接找波长最短的那种光，用起来不就行了。

光谱图（图片来源:www.asml.com/en）

不简单。因为，短波长的光，不是你想用就能用的。

你有没有能力在成本可控的前提下，稳定而持续地发出它？你的光刻胶和它来不来反应？你的其它工艺流程能不能和它兼容？

都是难题。都得摸索。

摸索到今天，能让人效率稳定、成本可控地拿起的“光刀”，主要有2把：

DUV和EUV。

DUV，是一种光的名字：Deep Ultra-Violet（深紫外光）。波长可以短到193nm。

很多人认为，用这把“光刀”的光刻设备，基本只能刻出20nm以上制程的芯片。

EUV，也是一种光的名字：Extreme Ultra-violet（极紫外光）。看名字就知道，这种光卷得更狠，波长可以短到只有13.5nm。

谁拥有了这把刀，谁就有机会再往前一步 ，刻出7nm，甚至，5nm，3nm这样更先进的芯片。

太好了。那找短光波的问题不就解决了吗？

要制作7nm芯片，就去用EUV啊。

技术问题是解决了。但其他问题来了。

有人卡脖子。

卡脖子

目前，世界上能生产出EUV光刻设备的公司，只有一家：荷兰的ASML。

2018年，中国的中芯国际，拿出了相当于它全年利润的1.2亿欧元，向ASML订购了中国第一台EUV光刻设备。

一笔大单。

ASML也很高兴，连出口许可证，都准备好了。

但是，美国发声了。声称EUV光刻设备中有20%的美国零件，想要出口必须征求他们的同意。而他们不同意。

一纸禁令。

怎么办？用不了可以刻7nm芯片的EUV，就造不出7nm芯片了吗？

能不能，用只能刻20nm以上芯片的DUV试试？

有希望。

有两个技术，可以带来希望：浸没式光刻，多重曝光。

浸没式光刻

什么是浸没式光刻？

很简单，翻译一下，就是： 泡到水里刻。

已知：你那把“光刀”的波长，越短越好。

又已知：DUV的光波，最短只能短到193nm。

一个刻出更先进芯片的思路，就出现了： 能不能把DUV的波长，变得更短？

能，加水。

在晶圆表面和透镜之间，加上一层超纯水，纯净到不含矿物质、颗粒、细菌、微生物等任何杂质，只有氢离子和氢氧根离子的超纯水。

然后，让光在水中发生折射。

193nm的深紫外光，在水中的折射率为1.44，波长可以进一步缩短到134nm。

“刀刃”，就这样变得更锋利了。

太聪明了。

这个方法，把DUV光刻设备，从“在空气里刻”的干式时代，直接带进了“在水里刻”的浸没式时代。

但是，还不够。

靠这个方法迭代 “刀刃”，你有可能在你班里提提名次，把制造水平从28nm制程提升到22nm制程，但要一口气考上清华，搞定7nm制程，还是很难。

怎么办？

还可以再加上，另一个办法：多重曝光。

多重曝光

什么是多重曝光？

也很简单，翻译一下，就是： 多刻几次。

举个例子，梳头。

提问：怎么才能把所有头发都梳到，梳得根根分明？

多梳几下。

有没有什么办法，能高效一点，梳一次就全部梳到位？

难，但也不是不能有。可以去义乌。找老板定制新梳子。

一颗头，有十几万根头发。要一次全部梳到位，那就造个至少也有十几万根梳齿的梳子。

可如果义乌的老板听完，说造不出来，或者造出来也不能卖你呢？

那就先不追求什么高效不高效了。还是多梳几下，先保证能全部梳到位就好。

多重曝光，也是这样。

如果一张“上海地图”的线条间隔，太过细密，太难“刻”，那就多刻几次。

把它拆分成线条间隔更疏朗的三个“图层”，再做成三张“掩膜版”，一张一张“刻”。最后，不也能套叠成一整张完整的“上海地图”？

头发，可以一遍一遍梳。电路图，也可以一层一层刻。

所谓的LELE工艺，LFLE工艺，SAPD工艺，本质上都是多重曝光，多刻几次的办法。

聪明。那要7nm芯片，多曝光几次不就能搞定了？

理论上能。但实际上，这个办法有极限。

首先，人家用一张掩膜版，曝光一次。你用三张掩膜版，曝光三次。谁在成本和效率上更有竞争力？

其次，要把全头梳到位，至少得梳一次，动一下手，把梳子对准到另一个位置梳吧？

可是，一次一次梳时，怎么保证每次换新位置时，都100%对得准？

一层一层地“刻”时，又怎么保证最后几张套叠在一起时，能100%完全吻合？

保证不了。总会有误差。

这个误差值，就是“套刻”。

这次《目录》里被很多人划重点的那个“≤8nm”，对应的，就是套刻的值。

成本，效率，良率。

芯片的制造，不止是一道技术题，还是一道经济题。除了“能不能做”，还要兼顾“值不值得”。

用DUV光刻设备通过多重曝光制造7nm芯片，或许可以帮忙够到高一点的地方，但也有代价和天花板。

所以今天，很多资料都认为，综合考虑下来，就算加上浸没式光刻和多重曝光，造7nm芯片也几乎是DUV光刻设备的天花板了。

要继续往前，制造7nm芯片，乃至更先进的 5nm芯片，3nm芯片，还得靠EUV光刻设备。

太难了。要么买不到，要么划不来。

那，有没有一种可能，走“自强不息”的路线，靠自己造出一台EUV光刻机？

嗯，你很有勇气。

EUV光刻机

造出一台EUV光刻机，有多难？

一个朋友给我的回答是：

如果说“用DUV光刻机造出7nm芯片”的难度系数是 “过万重山” ，那么“造出一台EUV光刻机”的难度系数，就是 “过万重珠穆朗玛峰”。

光刻机

为什么？EUV光刻机和DUV光刻机，一个字母之差，能有多大区别？

不都是发个光，投个影，再刻点沟沟壑壑吗，还能有多难？

这么说，也没错。那我们就照着这几个关节，一关一关说。

第一关：“发个光”，能有多难？

DUV的光源，还只是准分子激光，和治疗近视的激光手术用的光差不多。

但是，EUV的光源，却是地球上原本不存在的光。

不存在？那怎么发？

现有的做法，是靠“殴打”一种金属：锡，把人家打到发光。

这个不简单但很粗暴的过程，大概分三步：

第一步，从半空中滴下来一颗液体的锡珠。

锡珠要小。 小到直径只有20微米，和你的1个细胞差不多大。

第二步，用一束高能激光，不断轰击滴下来的锡珠。

动作要快。 同一个锡珠至少轰击两次，第一次打扁，第二次汽化。

打得它原子电离，发出很气愤的辐射，发出你想要的那束光。

第三步，持续轰击，持续发光。

手不能停。 要保持每秒钟至少连续轰击50000次，才能保证它一直崩溃，一直电离，你一直有光，刻得很稳。

这些，你有能力做到吗？能做到的话，你就可以进入下一关了。

第二关：“投个影”，有什么了不起？

波长越短的光，有一个不靠谱的特点：很容易被吸收，还没投到光刻胶那里开始干活，就已经散得差不多了。

怎么办？ 得靠“镜子”。

目前的EUV光刻机里，设了很多“镜子”，也就是聚焦反射器，来确保EUV的光，能更少被半路吸收，更安全地到达光刻胶。

这些“镜子”需要多平整呢？

用技术的话来说：面形精度峰谷值0.12纳米，表面粗糙度20皮米。

翻译成普通话来说： 如果把这面“镜子”放大到地球那么大，它上面只允许有一根头发丝那么细的凸起。

怪不得有人感慨说，这种“镜子”， 可能是宇宙中最光滑的人造物体了。

现在，就算你能造出这种镜子，光刻也才刚刚开始。

第三关：“刻出沟沟壑壑”，又要越过几重山？

怎么才能在这么极端的精度下，刻出相应的沟沟壑壑？

除了一把极端锋利的刀，你还需要有一个极端稳定的工作环境。

以ASML公司的无尘室为例， 内部的空气，需要比外部干净1万倍。

要做到这一点，你至少需要一套每小时能净化30万立方米的空气的通风设备。

除了空气，工作环境里用的水、光……都需要超洁净，需要特别处理。

光刻机原理示意

“发个地球上不存在的光”。

“用人类最光滑的镜子投个影”。

“在连空气都要干净1万倍的环境里刻点沟沟壑壑”。

这，就是要造出一台和别人现在用的差不多的EUV光刻机，至少要爬的几座山峰。

天哪。深吸一口气。

但，还是忍不住想看看，我们今天，爬到哪儿了？

未来

还记得，最开始那行介绍吗？

现在，再看一遍，你是什么感觉？

“此次官宣的国产光刻机，是一个套刻≤8nm，分辨率65nm，干式，波长193nm，DUV光刻机。”

这意味着什么？

“套刻≤8nm”，指的只是一个“梳头”时的误差，而不是“可以造出7nm芯片”的水平。

“分辨率65nm”，意味着有机会能刻出65nm芯片，不计代价多重曝光的话，或许还能努力够到28nm芯片。

“干式”，意味着前方还有一座“浸没式”的山要爬。

“波长193nm的DUV光刻机”，意味着前方还有一座“波长可以短到13.5nm的EUV光刻机”的珠穆朗玛峰要翻。

怎么还有那么多山？我们什么时候才能爬完？

什么时候，我们才能真正造出7nm制程，乃至更先进，更能和世界水平比肩的国产光刻机，不再被卡脖子？

说法很多。或许，你也听过一些。比如：

前几年，有人说，不可能。“就算把图纸给他们，也不可能造出来光刻机。”

这几天，有人说，还很远。“可能还要十几年，因为世界当前最先进的ASML，走完这段路就是花了十几年。”

但很快，也有人说，不好说。“ASML花十几年做出来的背后，有全球几十个国家的合作，和国内外数千家供应商的配合。”

嗯，听说过。可是，各有各的说法，那我怎么判断？有没有，来自更前线的说法？

今年的手机发布会上，华为没有多说。但9月19日，华为副董事长、轮值董事长徐直军在华为的另一场大会上，曾简单说过2句：

1，“中国大陆的芯片工艺制造将在很长一段时间处于落后，我们要做好长期的算力解决方案。”

2，“华为的战略是从可获取的制造工艺出发，进行系统性的创新与改进”。

那，国家工信部的《目录》呢？说得更简单。看标题：

《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024版）》。

什么是“重大”？有突破，且很关键的。而很关键的，往往还会继续突破。

什么是“推广”？很先进，且可量产的。而投入量产的工厂之外，往往还有更先进的实验室。

那，实验室之外呢？还有吗？

前几天，去墨西哥参访，看见那里有很多中国的新能源汽车在建厂；

再前几天，刷到“华为”的热搜，排在它下面的那一条是国产大飞机“C919”的量产和交付；

再之前呢？国家统计局公布了2024年上半年国民经济运行情况，其中，高技术产业投资同比增长10.6%，快于全部投资6.7个百分点......

创新，改进。继续突破，继续研究。更多拓展，更多投入。

7nm芯片的故事里，从不止有芯片，和算力，还有科技发展，和竞争博弈。

这是一个百年不遇的大变局。

在这个变局的风浪里，总有人高呼： 轻舟已过万重山。

确实，从没有7nm芯片，到拥有7nm芯片。从DUV，到EUV。从一份新文件，到一种新算力。

都很艰难，都有可能。

但是，山外还有山。

7nm的外面，还有5nm，3nm，甚至2nm，1nm……

芯片的外面，还有人工智能，新能源，航空航天，海洋工程......

怎么办？

轻舟很少回答。它们只是继续向前航行。

前进，前进。

祝福。