在芯片领域，有一样叫光刻机的设备，不是印钞机，但却比印钞机还金贵。如今，中国芯片制造，彻底摆脱外部依赖，全自主式发展，首先需突破光刻机。我们就以阿斯麦的发展历程，作为参考，让大家了解光刻机研发的艰辛。

一、基础技术积累+重大资金研发

阿斯麦的光刻机最早原型是飞利浦知名实验室-Natlab研发的初品，飞利浦看到芯片光刻机的未来，但Natlab强项是创新探索，不懂将原型产品化、商业化；此外，光刻机的研发注定巨额资金及精力的投入，针对飞利浦是个负担。

飞利浦为让产品顺利发展，却又不用承载太多“重担”，于是拉上当时芯片薄膜沉淀设备新贵ASM，联合成立公司阿斯麦（ASML）。

阿斯麦首任CEO斯密特是一个做事雷厉风行，为一切最新技术、新设备，甚至专业市场咨询服务等，都敢于花钱的人。从进入公司，斯密特就不断调研市场最新技术，如乔布斯一样不断“压迫”手下研发。不计成本的花钱，高压的科研驱动，搭建了阿斯麦最初的集研发、物流、流程等完整体系，还有可投产的产品。斯密特终于也因无钱可花而离职，自他离开，阿斯麦几乎一直没有盈利，烧掉了近1亿美金。

在技术侧，阿斯麦从飞利浦得到诸多红利：此家跨国企业巨头拥有强大基础科技，如化学、机械自动化、电子等，为阿斯麦的成功奠定技术基础。此外，从创立之初，阿斯麦就不断寻找光学镜头合作伙伴，经过几次谈判，终于联手德国光巨头蔡司。

二、可遇而不可求的、利好的大机遇

阿斯麦发展阶段，正处于日本与欧美芯片企业激烈竞争阶段。是时，日本的佳能、尼康等借助自身光学强项，大肆进军光刻机市场，极力挤压美国巨头CGA，让CGA一度达到产品与市场双向崩溃的边缘。而同时，日本芯片制造商开始大步迈入欧美芯片制造市场，对欧美的芯片形成极大冲击。

我们说佳能、尼康，想到的都是照相机，其实两家也是光刻机霸主。

欧美芯片企业，也惧怕日本光刻机企业的技术垄断，对自身芯片制造形成压制，于是希望扶持欧美本土的光刻机企业。由此，欧美芯片巨头都不约而同将目光投向光刻机新贵ASML。ASML经过一定时间发展，产品顺利出货，且得到市场验证。于是，美国芯片企业IBM、美光等开始向ASML批量下订单。

人的”运气“起来，谁都挡不住，这同样适用于企业。再说一个让阿斯麦利润由负转正的小故事：成立不久的台积电，不小心引发车间大火，由此不得不向阿斯麦进行批量新光刻机采购，一下子就采购17台，正是这家来自中国台湾企业的保险公司，让阿斯麦免于因财务压力而解散，正式迈入盈利模式。

三、生态护城河：与芯片制造生态链协同发展

如今阿斯麦被推上前台，实际上，他的成功建立在围绕其搭建的整体芯片产业链，是集大成者。

芯片产业涉及到光学、机械、化学、电子科技等各行业，且都要达到这些行业的尖端，企业不可能把自己做成全能。在成立之初，阿斯麦就选择了产业链合作模式——如一开始便寻求与光巨头蔡司合作，至今阿斯麦产品85%的零部件都是和供应链共同研发。

此外，光刻机新的迭代，需要芯片制造、设计企业一起沟通交流，现场测试，如阿斯麦最新款-EUV产品的诞生，就是集英特尔、台积电、三星等芯片制造巨头，与阿斯麦，以及一众产业链，一起的智慧攻关。光刻机的创新，建立在芯片产业的协同发展。

四、我国芯片产业落后的地方集中在芯片制造环节。

芯片制造的详细步骤如下：

1、清洁和准备。先用化学溶液除去晶片表面的有机或无机污染物，然后将晶片加热烘干，涂上粘合促进剂，让后续光刻胶更好地粘附在硅片上。

2、光刻胶旋涂。将光刻胶涂在硅片中心，然后高速旋转硅片，用离心力让其均匀覆盖在硅片表面，并且挥发掉一部分溶剂，随后将旋涂好的硅片进行预烘烤，再除去部分溶剂。

3、去除边缘光刻胶。光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积，会影响成品，要使用化学溶剂或曝光的方法将之去除。

4、对准。由于硅片是圆的，所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系，再通过激光自动对准。

5、曝光。将覆盖着光刻胶的硅片暴露在通过掩膜版照射过来强光下，使被照射到的光刻胶发生化学反应。

6、后烘。加热烘烤，减少入射光的破坏性和建设性干涉图样所引起的驻波现象。

7、显影。

8、硬烘。加热一段时间，完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力。

9、蚀刻。用液体(湿法刻蚀)或等离子体(干法刻蚀)，去除掉不受光刻胶保护区域中的最上层硅片。

10、去除光刻胶。使用化学剥离剂将光刻胶从硅片表明剥离，或者用等离子体将其除去，后一种方法也叫灰化。

其中，从2到8的步骤都属于光刻工序。此外，上述步骤只是最基本的芯片制造步骤，在如FinFET等新架构发现后，芯片制造又多了许多离子注入等步骤。

决定芯片整体性能的是晶体管密度。同样面积的芯片，放进的晶体管越多，基本上性能就越强。与晶体管密度对应的是晶体管的宽度，也叫线宽，晶体管线宽越小，密度就越大。

我们平时听到的“7nm工艺”、“5nm工艺”等词语，实际上就是指的相应光刻工艺能加工出的晶体管线宽。

而决定光刻工艺的，是光的波长。要提高光在硅片上的加工精度，就需要提高光刻分辨，也就是能清晰分辨出硅片上相隔很近的特征图形的能力。根据瑞利公式，光刻分辨率R=kλ/NA，k代表工艺因子，λ表示波长，NA表示曝光系统的数值孔径。

显然，要提高光刻分辨率，要么提高工艺(降低k)，要么减小波长(降低λ)，要么提高数值孔径。其中最直接的手段是做出更短波长的光源。

五、具体而言，光刻机有以下难点：

1、组装。光刻机最重要的技术之一是组装，就是把所有的元件组装起来，然后使分辨率达到最高，同时套刻精度达到最佳。

“机器内部温度的变化要控制在千分之五度，得有合适的冷却方法，精准的测温传感器。”相关业内人员表示。SMEE最好的光刻机，包含13个分系统，3万个机械件，200多个传感器，每一个都要稳定。

2、控制。光刻机可能是制造业内对精密性要求最高的产品。光刻的原理就像在米粒大小的面积上，雕刻纳米级大小的文字，对于误差的要求可想而知。

例如，光刻机里有2个同步运动的工件台，一个载底片，一个载胶片。两者需始终同步，误差在2纳米以下。两个工作台由静到动，加速度跟导弹发射差不多。

而且，温湿度和空气压力变化会影响对焦。

3、光源。制造EUV需要极高的能量。EUV能被空气吸收，所以光刻环节必须耗电保持真空环境。更夸张的是，EUV还能被透镜吸收，所以只能用十几次面透镜，通过不断反射将光源集中。

每反射1次，EUV的能量就会损失3成。十几次反射后，到达晶圆的光线理论上只剩下2%。从能连赶上看，韩国企业海力士曾经说过，极紫外光EUV的能源转换效率只有0.02%左右。

以此计算，目前ASML的EUV光刻机输出功率为250瓦，那么其输入功率将高达1250000瓦!1台EUV光刻机的光源工作1天，就要消耗30000度电。

电费且不说，如何制造出合格的光源，也是一个问题。当初ASML收购了全球领先的准分子激光器供应商Cymer，才制造出了合格的产品。

4、镜头。光刻机的中心镜头对于镜头要求较高，位于光刻机中心的镜头，由20多块锅底大的镜片串联组成，需要高纯度透光以及高抛光。

了解了阿斯麦的历程，光刻机的难点等，我们也应该看到国产光刻机发展中的艰辛，但我们依然缅怀希望。期待国产光刻机的早日诞生，实现光刻机的突破！

文章来源： timothyzuo，前瞻网