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

科技 2024-09-26 16:01 安徽

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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......
来源 / 刘润
作者 / 刘润

前段时间，突然听到有很多人在问：

中国自己的7nm光刻机，是不是真的造出来了？

起因，是9月9日国家工信部发布的一个通知：《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024版）》。

有人发现，《目录》里有2行，不对劲。很不对劲。

看图。

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，穿过一组掩膜版，再穿过一层透镜系统，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。

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