在阅读此文之前，请您点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持。

文、编辑/许晨渊的书房

在如今科技时代，科学技术是第一生产力，各个国家之间的竞争早就不是单纯的经济实力比拼，而更多是高端技术领域的较量，俗话说拥有技术就拥有了人类发展的未来。

在第二次世界大战中，美国率先研制出的原子弹不仅缩短了整个战争的时间，更是深刻地改变了人类命运的走向，而在此之后，苏联、中国等其他国家也纷纷加入到了原子核能的探索行列。

而今天我们要介绍的这项技术，它甚至被评为比制造原子弹难度还要大，而在全球范围内也仅仅只有两个国家真正掌握了其核心技术，它就是芯片制造业中的高端光刻机。

一、光刻机

什么是光刻机，初听这个名字，会很容易联想到光碟播放器这类的电子产品，但是光刻机其实是半导体芯片制造中的一项技术。

半导体芯片的研制过程可以概括为设计、制造和封测三个环节，芯片的设计要遵循应用目的和逻辑进行制定，同时制造的过程要层层筛选和检测，以便符合最后封测的标准，环节之间形成了紧密的闭环。

而光刻是制造环节中的一个步骤，帮助将设计好的芯片电路图实现从掩模上到硅片上的转移，也是最为复杂精密的核心步骤，因为要将目标电路图精确无误地复刻到硅片上不仅需要科研人员的参与，更需要机器严丝合缝地配合。

整个芯片制造环节都离不开光刻技术，可以说其作用就好像车间中的车床，整个过程耗时长，通常一次芯片生产需要进行大约三十次的光刻，占了总时长的一半以上，而与之相应的成本也很高，占了总成本的百分之三十五以上。

而光刻技术简单来说，就是要将芯片的线路和各个功能进行分割区分，光刻机发出的光，通过不同形状的光照，对已经涂上光刻胶的薄片进行曝光处理，曝光后的光刻胶会因此发生质的变化，使得光罩的图形转印到薄片上，这就让薄片成为了新的电子线路图。

整个原理就相当于照相机，只是照片是在底片上成像，而光刻机刻的不是拍的照片，而是设计好的各种电子元件的电路图。

如今的光刻技术从广义上也分为两种工艺，第一种是传统的光复印工艺，也就是利用曝光系统将已经在掩模上制作好的电路图转移到晶体表面上面。

另一种被称为刻蚀工艺，主要是利用化学和物理方式，把曝光所形成的抗蚀剂图案从晶体表面和介质层上转移到下层的器件层上，这也被称为腐蚀工艺，就是将没有被抗蚀剂遮蔽的部分去除掉。

我们刚才提到整个世界范围内，真正掌握光刻技术的国家也只有两个，那就是日本和荷兰，下面就来介绍一下光刻机技术的发展历史。

二、光刻机的发展历程

光刻技术的起源大概是从上世纪五十年代末开始，最初是用于集成电路模版制造，但随着半导体工业的迅猛发展，光刻技术就远远超出了最初的功能，成为了芯片制造的最重要环节。

进入六十年代后，人类进入了集成电路时代，那个时候的半导体的设计工作没有如今的计算机软件可以依靠，只能人工绘图，工程师们首先用笔绘制好电路图然后用专用的刀片在母版上一点点雕刻出来，最后还要用相机进行缩小，整个过程十分繁复。

由于这种接触式的光刻机成本极高和而成功率很低，所以早期的芯片价格也十分高昂，同时为了提高生产效率和对成本的考虑，工程师们也对这项技术不断进行改造，先后发明了渐进式光刻机，但由于光的衍射效应，光刻的精确度也受到了影响。

到了1970年左右，日本的光刻机登场了，佳能公司发布了日本第一台光刻机，这对于整个半导体领域来说都是一个新的开始，从此之后，光刻机也从接触渐进式进入了投影式时代。

整个八十年代，光刻机市场上都是日本和美国的竞争，而如今全球最大的光刻机厂商宝座早就被荷兰ASML公司稳坐，其生产的芯片和其他电子元件被誉为“半导体工业的明珠”，占据了整个半导体行业百分之九十以上的份额，可谓是一家独大。

提到ASML，就不得不说其研发的EUV光刻机，这是历经二十年的探索，研发的世界上第一台极紫外光光刻机，顾名思义，就是利用波长为10—14纳米的极紫外光作为光源进行光刻的技术。

在这之前，光刻机采用的光源是波长193纳米的深紫外光，也被称为DUV，相较之下EUV就大大缩短了光源，波长短得多，更加难以捕捉。

同时也需要相应更精密的激光技术进行激发，具体来说们就是需要用高功率的二氧化碳激光对一个体积极其微小的金属小球进行冲击，如果要稳定的产生出极深紫外光，就需要每秒钟轰击小球5万次，难度可相知。

而除此之外，光刻机的在制造生产中面对的挑战绝不只有这一点，除此之外还有两大技术难题，那就是如何收集极深紫外光呢？那就要提到反射系统和蚀刻工作台系统了。

关于反射系统，就意味着需要能够实现高效反射的镜片，在全球范围，只有德国的蔡司公司能够生产出这套系统，相信对摄影有一定了解的读者肯定听过蔡司的大名，其制作的相机镜头被誉为最好的镜头之一，但生产EUV的镜头和生产相机镜头又大不相同。

反射系统主要依靠多层膜反射镜，还要进行高精度的非球面加工，然后进行离子束抛光等，最终才能得到一块绝对平滑的反射镜片，蔡司公司对于精确度和平整度的比喻就是，这枚镜片如果放大到整个德国的面积，其起伏程度也不会超过0.1毫米，完全是极限中的极限。

有了反射系统之后，就要在指甲大小的硅片上进行线路图绘制，雕刻出成千上亿的晶体管了，这就要求一个极其精密的工作台系统，

整个工作台由五万五千多个极高精密的零件组成，这些零件并不是由一家公司提供，而是来自于美国、德国、日本、中国、韩国等各个国家的专利，但凡少了一个都无法顺利进行制作。

这就是目前世界上最顶尖的光刻机的制作生产难度，其实在1997年，英特尔公司和美国的能源部就已经通过合作投资，开始进行EUV的研制了，在长达六年的研制中，已经掌握了这项技术的核心内容，但是双方在当时考虑到收益不可观，并没有自己研制光刻机的战略打算，于是就把专利授权给了外国公司。

三、拥有高端光刻机核心技术的ASML公司

而拿到核心技术授权的公司就是荷兰的ASML公司，它在2010年生产出了原型后，又经过多年的调整测试，在2019年正式研制出一台可以投入批量生产的EUV光刻机，走到这一步总共用了二十二年。

光刻技术的难度之大也体现在，需要的人力物力消耗之大，要想进行研发，需要大概三万名相关研究人员通力合作，这些人才还必须是已经长期在半导体领域进行研究的人才，这对于国家的人才培养和引进来说，是一个非常大挑战。

对于中国来说，目前想要突破在光刻技术上的壁垒，就需要考虑到上述提到的种种问题，在技术层面上来说，目前的全球化进程也是一个很好的机遇，可以通过合作实现科技成果和人才的共享，毕竟想要实现自主研发出顶尖的光刻机的可能性是非常低的。

而中国作为世界的生产大国，在半导体工业上也扮演了重要的角色，根据相关数据显示，中国大陆地区已经从荷兰ASML公司购入了上千台光刻机，中国也是其公司的第三大海外市场，并且随着中国制造业的发展，对于光刻机需求也只会不断增加。

所以，面对不断增加的需求，我国也需要从保证国家经济安全和技术自主的层面进行考虑，加快对于高端半导体生产技术的探索。

因为半导体技术如今已经渗透到了生产、生活的方方面面，小到人们使用的智能手机和笔记本电脑，都离不开芯片的支撑。

而在互联网时代，这些科技产品又和防安全紧紧联系在一起，因此尽快地掌握光刻技术从这层面来说也是至关重要的。

科学技术的制造是一个漫长的探索过程，我们国家虽然目前在光刻机的制造上还没有突破最关键的技术壁垒，但是通过全球合作和自主研发协同并进，相信要实现追赶并不是遥不可及的事情。

况且，掌握这项技术不仅仅只是一种国际上的技术展示和炫耀，更是中国作为一个世界大国对人类智慧和未来的一种责任和担当，我们期待有更多的科学家和科研人员加入我国半导体研究行业，推动国家科学事业迈向更美好的前景。