很多人都說光刻機的制造難度超越了原子彈，這絕不是夸張的。
荷蘭ASML 生產(chǎn)的EUV光刻機
光刻機是干什么用的？—制造芯片的設備；
光刻機的原理是什么呢？—簡單的來說就是沖洗照片，不同的是洗照片是把底片放大，光刻機是把底片縮小；
洗個照片為什么這么難呢？
舉個例子：
- 在A4紙上畫電路圖，你會覺得簡單；
- 在郵票上畫，你會覺得困難；
- 在大米粒上雕刻呢？你覺得難上加難；
- 如果把這粒米固定在汽車擋風玻璃上，你在另一輛汽車上雕刻，而且兩輛車的車速不能低于100邁，你有什么感覺呢？是不是崩潰了？
這就是光刻機的難度，而且僅僅是一部分。我們一起來看看光刻機的制造瓶頸有哪些吧！
首先來介紹一下光刻機
光刻機又名曝光機，是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的關(guān)鍵設備，將電路結(jié)構(gòu)臨時"復制"到涂有光刻膠硅片上的過程，制造和維護需要高度的光學和精密制造技術(shù)。高端光刻機被稱為“現(xiàn)代光學工業(yè)之花”，制造難度很大，全世界只有少數(shù)幾家公司能制造。
很多媒體都說：如果半導體是人類工業(yè)史上的一頂皇冠，那么光刻機就是這頂皇冠上的明珠。
對于這種夸張的描述，不做否認。但是并不是所有的光刻機都是皇冠上的明珠。
光刻機根據(jù)應用范圍分為：前道光刻機、后道光刻機、LED光刻機、面板光刻機。通常情況下我們把面板光刻機叫做曝光機。
應用在LED產(chǎn)品上的光刻機不需要太高的精密度，價格也比較低，通常不足上千萬。這類的光刻機絕稱不上是皇冠上的明珠。
只有ASML制造的EUV光刻機，才稱得上是皇冠上的明珠。
目前前道光刻機市場主要有三家：ASML、尼康、佳能。工藝上，ASML>尼康>佳能。
目前主流手機芯片，高通驍龍、蘋果A系列、聯(lián)發(fā)科天璣、華為麒麟芯片，已經(jīng)進入7nm、5nm時代了，而能夠達到這個工藝的的光刻機只有ASML的EUV光刻機。
日本尼康最先進的DUV光刻機分辨率可以低于38nm，可用于制造工藝制程不超過7nm的芯片。而佳能的工藝水平還不如尼康。因此，臺積電、三星、英特爾等大廠只能向ASML下訂單了。
2020年全球光刻機銷量為413臺，其中ASML銷量為258臺，占比62%；佳能銷量為122臺，占比為30%；尼康銷量為33臺，占比為8%?？梢钥闯鯝SML有非常大的優(yōu)勢。
再看銷售額，ASML占比為91%，尼康占比為6%，佳能占比為3%。ASML處于絕對優(yōu)勢。
也就是說日本兩家公司合起來也不到全球10%份額，差距太遠了。
全球光刻機市場也就130億美元，ASML僅EUV光刻機就賣了53億美元。
總之，高端光刻機已經(jīng)被ASML所壟斷，ASML已經(jīng)是碾壓般的存在了，擁有絕對的市場領(lǐng)導地位。
技術(shù)及零部件瓶頸
EUV光刻機核心技術(shù)集中在四大領(lǐng)域：光源、鏡頭、工作臺、安裝調(diào)試。
光源：
極紫外光系統(tǒng)來自于美國公司Cymer，一種波長極短的極紫外光，技術(shù)要求非常嚴格。
EUV光源是高能二氧化碳激光打在只有30微米一滴一滴的金屬錫滴上產(chǎn)生的等離子體。從而產(chǎn)生的一種波長極短（13nm）的極紫外光。
當極紫外光穿透物體時，會產(chǎn)生很大的散射吸收效果，最終能效僅剩下0.2%，因此必須配置非常強大的光源系統(tǒng)。
由于空氣也能吸收極紫外光，所以機器內(nèi)部整個光路都做成真空的。即使這樣，到達光刻膠時光能量損失已經(jīng)超過95%甚至更多。
正是由于極紫外光極難產(chǎn)生，而應用在光刻機上又損失超過了95%，導致能效轉(zhuǎn)換率僅為0.2%，這樣的技術(shù)瓶頸導致EUV光刻機每年產(chǎn)量非常少。
鏡頭：
高精度鏡頭采用蔡司技術(shù)，蔡司是德國歷史悠久的光學儀器廠商，其產(chǎn)品向來是“高貴”的代名詞。雖然已有百年歷史，但蔡司仍然是與昂貴和高質(zhì)量的光學鏡頭聯(lián)系在一起的。蔡司鏡頭通常被認為是一流的、設計優(yōu)良的，是能產(chǎn)生高畫質(zhì)圖像的。
同樣的一個鏡片，不同工人打磨，光潔度相差十倍。鏡片材質(zhì)均勻，更需要幾十年甚至上百年的技術(shù)沉淀。
EUV光刻機采用的鏡頭要求：
集中度要求：拿個手電照到月球光斑不超過一枚硬幣大?。?/p>
平整度要求：長30cm起伏不到0.3nm，這相當于是北京到上海做根鐵軌起伏不超過1毫米。
為什么對鏡頭的要求如此苛刻呢？因為一片鏡頭產(chǎn)生的誤差也許影響不大，但是幾十片、幾百片鏡頭累計的誤差將會產(chǎn)生巨大的誤差，完全能夠決定芯片是否合格。
據(jù)相關(guān)資料顯示，193nm的最新光刻機里鏡頭加起來就有一噸重，那么5nm工藝的光刻機呢？鏡頭會更多，要求也會更高。
因此這些鏡頭只能交給蔡司生產(chǎn)，幾十層硅鉬等復合材料組成，每層只有幾納米厚，目的是剛好根據(jù)EUV的波長疊加反射最多的光。
而這些鏡頭的打磨也絕非容易的事，很多都是干了幾十年的老工人，有的甚至是子承父業(yè)，全家?guī)状硕荚谝粋€崗位上。
對于鏡頭的嚴苛，導致了EUV光刻機也無法大規(guī)模生產(chǎn)。
工作臺：
精密工作臺，工作臺要求：絕對穩(wěn)定的工作環(huán)境，芯片的曝光必須在真空中，并且采取恒溫技術(shù)，工作室的空氣要比外界干凈1萬倍，工作臺高速運動期間，系統(tǒng)不能振動。而光刻機要多的事情，就好比在真空、恒溫、無塵、高速運動的環(huán)境中，在一粒米上雕刻清明上河圖，機械動作誤差為皮秒（百萬分之一秒），這些基本都是挑戰(zhàn)人類極限的工作。
安裝難度：
單臺EUV設備里超過十萬個零件、4萬個螺栓，以及3000多條線路。僅僅軟管加起來，就有兩公里長，這么一臺龐大的設備，重量足足有180噸。安裝調(diào)試就需要幾個月。
沒有專業(yè)的團隊，沒有系統(tǒng)的培訓，根本無法完成安裝調(diào)試。
而EUV光刻機在制造芯片時候，如果工作室恰好在地鐵上方，而此時又恰好有一輛地鐵通過，那么很大概率上，這批芯片費了。
因為光源、鏡頭、工作臺、工作環(huán)境、安裝調(diào)試的苛刻，導致EUV光刻機每年僅能生產(chǎn)十幾臺，而這十幾臺也被臺積電、三星、英特爾瓜分完畢。
日本壟斷了光刻機所需的化學材料
除了光刻機這樣的關(guān)鍵設備，材料的重要性同樣不容忽視。
光刻膠：又稱光致抗蝕劑，具有耐蝕刻的性能，當通過紫外光、電子束、X射線等的照射時，溶解度發(fā)生變化。
光刻膠通常由感光樹脂、增感劑和溶劑組，常用于芯片制造，半導體加工領(lǐng)域。
在集成電路制造工藝中，光刻工藝的成本占比高達35%，耗費的時間占比達到40%-60%。由此可見，無論是光刻機還是光刻膠，都會對技術(shù)有非常高的要求。這也導致，光刻膠具備市場集中度高、客戶壁壘高以及技術(shù)壁壘高的特點。
然而就像光刻膠這類高科技材料，也被國外企業(yè)把控著，例如：日本的東京應化、信越化學等。
這些企業(yè)在半導體光刻膠細分領(lǐng)域的總份額高達85%。而中國在這方面幾乎沒有話語權(quán)。
更為恐怖的是，制造半導體需要19種必須材料，而且缺一不可，每一種材料都有行業(yè)壁壘，而這個壁壘就是日本企業(yè)—信越化學。
信越化學1926年誕生于日本，是高科技材料的超級供應商，其半導體硅、聚氯乙烯等原材料的供應在全球首屈一指。目前信越集團制造的高性能有機硅產(chǎn)品多達 4000 多種，現(xiàn)已廣泛應用于電子、電氣、汽車制造、機械制造、化工、紡織、食品工業(yè)以及建筑工程領(lǐng)域。
全球70%的半導體硅材料由信越化學提供。更重要的是半導體所需的19種必需材料，日本掌控了14種。如：硅晶圓、合成半導體晶圓、光罩、光刻膠、藥液、靶材料、保護涂膜、引線架、陶瓷板、塑料板、 TAB、 COF、焊線、封裝材料等14種重要材料方面均占有50%及以上的份額。
可以說日本半導體材料行業(yè)在全球范圍內(nèi)長期保持著絕對優(yōu)勢，而沒有這些材料，芯片是無法生產(chǎn)制造的。
政策難度
ASML每年制造的光刻機有一半賣給了臺積電，剩下的一半被三星和英特爾瓜分。其他公司根本就買不到。
很多網(wǎng)友不解，我們多加點錢不就可以買到了嗎？其實情況遠非如此簡單。
早期阿斯麥進軍光刻機領(lǐng)域時候，只是一個名不見經(jīng)傳的小企業(yè)，根本無法與日本的尼康相提并論，該公司資金一度匱乏，瀕臨破產(chǎn)之際，其客戶臺積電、三星、英特爾向其注資，并提供技術(shù)支持，最終在阿斯麥脫穎而出，成為光刻機龍頭。
但是，天下哪有免費的午餐呢？阿斯麥簽署了相關(guān)協(xié)議，優(yōu)先向公司股東提供最尖端的設備，而這些股東之中就包括臺積電、三星、英特爾。因此，每年阿斯麥的EUV光刻機有一半被臺積電買走，其余的被三星和英特爾買走。
這種大股東優(yōu)先購買權(quán)，就造成了先進工藝牢牢掌握在臺積電、三星、英特爾這類企業(yè)手中，其他公司無法與其爭奪市場。
1996 年的《瓦森納協(xié)定》
瓦森納協(xié)定是西方國家為了技術(shù)封鎖簽署的一份文件，其主要目的就是為了監(jiān)督和控制常規(guī)武器和先進材料、設備及技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
該協(xié)定包括有美國、日本、英國、俄羅斯等42個成員國，其中33個國家于1996年7月在奧地利維也納簽署了《瓦森納協(xié)定》，隨后9個成員國也加入了該協(xié)定。
瓦森納協(xié)定包含兩份清單，一份是軍用，涵蓋了各類武器彈藥、設備及作戰(zhàn)平臺等共22類；
另一份為軍民兩用：涵蓋了先進材料、材料處理、電子器件、計算機、電信與信息安全、傳感與激光、導航與航空電子儀器、船舶與海事設備、推進系統(tǒng)等9大類；
中國不是《瓦森納協(xié)定》成員國，因此在被禁運國家之列。
也就是說根據(jù)這份協(xié)定，光刻機上的核心技術(shù)是不能夠出售給中國的，當然成品和配件也是禁止的。
我國的光刻機處于什么技術(shù)水平，能否突破制造瓶頸呢？
我國的光刻機生產(chǎn)企業(yè)是上海微電子，工藝制程為90nm，僅能用于低端芯片的制造。在國內(nèi)低端芯片市場份額超過80%，也有部分銷往國外。
如果把光刻機劃分為三個檔次的話，上海微電子排在末尾：
- 荷蘭ASML壟斷了高端光刻機市場，代表作：EUV光刻機；
- 日本尼康和佳能占據(jù)了中端光刻機市場，止步于28nm；
- 上海微電子只能占據(jù)低端光刻機市場，90nm光刻機。
90nm與5nm技術(shù)相差5代，這5代需要20年的技術(shù)積累。在美國對技術(shù)和零部件的封鎖下，難度更大。
ASML的EUV光刻機研發(fā)了20多年，荷蘭、美國、日本、德國等幾十個國家，上百所研究單位在無數(shù)個日日夜夜，無數(shù)次失敗之后才研發(fā)成功的。
可以說EUV光刻機集成了世界頂級技術(shù)。為我國卻要憑一己之力完成，可想而知這是多么大的難度。
ASML高管就曾經(jīng)說過：“即使他們公開EUV光刻機的圖紙，現(xiàn)在也沒有哪家公司能夠山寨”。那么真的如此嗎？
從光源、鏡頭、軸承等多個配件研究分析得出，EUV光刻機需要的科學技術(shù)包括：高分子物力與化學、表面物理與化學、光學、軟件、數(shù)學、自動化、流體力學、機械、精密儀器、圖像識別等。
首先人才，我們目前根本就沒有這么多的人才儲備，而培養(yǎng)人才少則10年，多則幾十年。
有了人才，還要突破專利限制，這條路會更難走。當年制造原子彈的時候，還有蘇聯(lián)幫忙提供基礎工業(yè)，又有錢學森、錢三強、鄧稼先等科學家。
現(xiàn)在呢？除了99歲高齡的楊振寧，還有哪位科學家能超過這三位呢？
當然，我們也不要氣餒，畢竟這幾年我國在該領(lǐng)域還是有些成果的：
- 2018年8月份，清華大學研發(fā)出了雙工作臺光刻機，這使得我國成為全球第二個具備開發(fā)雙工作臺光刻機的國家；
- 2018年11月，中科院光電究所研制出“超分辨光刻裝備”，該裝備采用365nm波長的紫外光單次成像，實現(xiàn)了22納米的分辨率，結(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來還有可能用于制造10nm級別的芯片；
- 2019年4月，武漢光電研究中心采用二束激光在自主研發(fā)的光刻膠上突破了光束衍射極限，成功刻出9nm線寬的線段，實現(xiàn)了從超分辨成像到超衍射極限光刻制造的重大創(chuàng)新。
盡管路漫漫而修遠，但是只要有決心有信心，在不斷的創(chuàng)新努力下，我國定能夠攻克高端光刻機。
問答總結(jié)
光刻機的制造瓶頸在于：極紫外光源、高精度鏡頭、精密設備的安裝調(diào)試、化學材料。每一種技術(shù)都需要幾年、甚至幾十年的努力才能突破。
這些技術(shù)是集合全球頂尖企業(yè)、科研機構(gòu)、高校才達到的高度，如今卻需要中國憑一己之力突破。這困難可想而知。
中國在光刻機領(lǐng)域的路還很遠很遠，我們除了努力，別無選擇，加油吧！我偉大的祖國！
我是科技銘程，以上是我的回答，希望可以幫到您，如有不妥之處，敬請批評指正！