芯片，这个最近耳熟能详的词语，频频出现在大众视野，让很多并不了解科技产业、并不熟悉芯片的人对芯片有了越来越多的认识。

芯片自从被发明出来，就一直是全球最高精尖的科技产品，任何电子设备，不论是军用还是民用，都是离不开芯片的。

我国芯片发展起步晚，重度依赖进口，被人卡脖子

而我国的高科技产业起步较晚，在美国70年代家用电脑都已经进入寻常百姓家的的时候，我国连黑白电视机都买不起。

图为美国七八十年代办公场所的电脑

年波普艺术大师安迪·沃霍尔在电脑上使用GraphiCraft给美女修图

直到从90年代开始，家用PC电脑才开始走入大城市的工薪阶层和政府部门。而CPU芯片作为电脑的核心，是非常重要的，没有它电脑就无法工作，它就像人们的大脑一样，控制着计算机（电脑）的各种行为。

但是长期以来，由于国外芯片技术发展较早，比我国几乎早发展了一代人的技术水平，而我国在芯片领域起步较晚，基础比较薄弱，国外先进的技术、设备一直都是限制卖给中国使用的，所以我们只能从国外购买芯片，国产自给率不足20%。

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我国是世界上的芯片进口大国，每年都要花费数千亿美元在芯片的进口上，因为我们无法制造出高端芯片，而制造不出高端芯片的关键原因，就是用于生产高端芯片的设备——光刻机，一直以来，最先进的光刻机都是由荷兰ASML公司研发的，由美国、德国为首的发达国家掌控，形成庞大的利益共同体，而其生产的EUV高端光刻机内部达8万多个零部件，其中关键零部件多产自美国，而这些对技术工艺要求极高的零部件，有不少是个别企业独有的技术，别人根本无法复制和模仿，甚至就像ASML总裁所说的那样：“即使公开图纸，也不怕被山寨”。而台积电、三星、英特尔、中芯国际、中兴等等都是ASML的客户。

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由于光刻机内部零件的复杂性，以及对高精密仪器制造的超高要求，我们国家无法制造出先进的光刻机，只能采买。美国一纸禁令，要求所有使用使用美国的技术、软件设计、零部件和制造半导体芯片的设备以及相关厂商不得向中国华为出售相关半导体芯片产品。

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这项芯片禁令升级，导致华为甚至中国在芯片领域直接被美国卡脖子。我们面对美国的限制和打压，正在面临着前所未有的芯片困境，让我们真正的意识到，自主研发国产芯片的重要性，而光刻机的自主研发，就成了重中之重。

什么是光刻机

光刻机，又名掩模对准曝光机，是用来生产大规模、超大规模集成电路的核心设备。

一台ASML光刻机，图片来自网络

晶圆是指制作硅半导体积体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。

其工作原理和照相机相似，光刻机利用发出的光，通过具有电路图的光罩对涂有光刻胶的晶圆薄片进行曝光，而光刻胶在光的照射下发生反应，从而将光罩上的电路图“复印”到晶圆薄片，从而将电路图绘制在了晶圆上。

光刻机简易工作原理图

光刻机绘制电路图简单示意图

晶圆经过切割等加工手段最终制成一个又一个的芯片。就如同单反摄像机一样，镜头是最核心的部分，也是最贵的器件，光刻机也是如此，镜头也是光刻机最核心的部分，但是要比单反镜头要大得多，一个镜头直径能达到1米高2米甚至更大。

因此，镜头就变得十分重要，德国蔡司镜头是公认的最强大的光学镜头，ASML生产的光刻机就是用的他家的。

光刻机有了镜头还不行，另外一个比较重要的就是光源，光源的工艺能力水平取决于其光源的波长。一般地，波长越短，工艺越好。这是为什么呢？

大家都知道，初中物理就学过的一个公式，那么就能够得出频率与波长成反比，光速是固定的，当波长越小时，频率就越高，而频率越高，振动幅度就越小，那么光传播的路线就越直，那么它的抖动就越小，那么图像的像素点就会越小越密，那么分辨率就会越高，就越能够精准的将电路图绘制在晶圆上。

目前比较流行的光源分为三种：

常见的几种不同光源的光刻机与对应的光源波长关系

光刻机分辨率，以纳米为单位，其计算公式为：

工艺节点：工艺节点（nodes）是反映集成电路技术工艺水平最直接的参数。通常我们所常见的描述芯片是多少多少纳米，就是指的工艺节点。目前主流的节点为0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等，和最近最新的工艺节点为5nm，台积电已经实现。

在65nm工艺及以前，工艺节点的数值几乎和光刻机的最高分辨率是一致的。由于镜头数值孔径并没有太大变化，所以工艺节点的水平主要由光源波长决定，ArFnm波长可实现的最高工艺节点就是65nm。而在65nm以后，由于波长难以再突破，业界发明了一种沉浸式技术，将等效的光源波长利用水的折射原理缩小到了nm。而引入这一技术之后，镜头数值孔径也进一步得到提高，从而使得分辨率提高了。

因此，虽然光源波长没变，但是工艺节点却推进到了28nm。然而到了28nm后，技术难以再解决出现的单次曝光系列问题，便使得28nm成为工艺节点的一个重要分水岭。

图为光刻机工艺节点与光源波长的关系

毫无疑问，EUV光刻机是最好的。主流厂商的7nm及以下芯片的制造工艺都会采用EUV光刻机，其中三星在7nm上已经采用，而EUV光刻机目前只有ASML一家能够量产，因特尔和台积电一直到7nm工艺节点都依然使用浸润式（immersion）ArF的光刻设备，而7nm以下的工艺就必须采用EUV光刻机了。沉浸式DUV光刻机（ArF+immersion）能够生产28-7nm芯片。

在未来，5nm和3nm工艺必然是EUV光刻机的天下，三星7nm工艺已经采用了EUV光刻机，而中芯国际早在年就已经从ASML订购了一台EUV光刻机，然而却因为美国从中阻挠，虽然钱已交付，但是货却迟迟无法拿到。

我国光刻机落后的现状

目前我国的芯片技术水平至少落后国外10年，而中芯国际是我国数一数二的芯片制造厂商，其目前的水平可以量产14nm芯片，但是整整比台积电5nm工艺水平落后3代。虽然能够量产14nm芯片，但是其使用的光刻机依然是DUV沉浸式光刻机，只能够生产28-7nm芯片，7nm以下的芯片是无法制造出来的，必须使用EUV光刻机，然而中芯国际向ASML购买的EUV光刻机，花了7个亿，钱打过去了，却迟迟两年没有到货。

上海微电子装备有限公司，图片来自其

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