为什么荷兰光刻机领先世界（为什么荷兰的最厉害）

光刻机，被称为现代光学工业之花，制造难度非常大，全世界只有少数几家公司能够制造。其售价高达7000万美金。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

通俗易懂的说，光刻机就是在制造芯片时不可或缺的工具，没有光刻机就没有芯片。

在能够制造机器的这几家公司中，尤其以荷兰（ASML）技术最为先进。价格也最为高昂。光刻机的技术门槛极高，堪称人类智慧集大成的产物。

图为ASML产品

“十二五”科技成就展览上，上海微电子装备公司（SMEE）生产的中国最好的光刻机，与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米，相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。

ASML光刻机的工作原理

ASML光刻机的简易工作原理图

简单介绍一下图中各设备的作用：

测量台、曝光台：承载硅片的工作台，也就是双工作台。一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，而ASML有个专利，有两个工作台，实现测量与曝光同时进行。而本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破ASML对双工件台系统的技术垄断。

激光器：也就是光源，光刻机核心设备之一。

光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。

能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。

能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。

掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度是nm级的。

物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜板上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。

硅片：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，尺寸越大，产率越高。题外话，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，根据缺口的形状不同分为两种，分别叫flat、notch。

内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

光刻机制造难度有多大？

光刻机跟照相机差不多，它的底片，是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机，缩微投射到底片，蚀刻掉一部分胶，露出硅面做化学处理。制造芯片，要重复几十遍这个过程。

位于光刻机中心的镜头，由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片的高纯度透光材料 高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片，得数万美元一块。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀，需几十年到上百年技术积淀。

“同样一个镜片，不同工人去磨，光洁度相差十倍。”SMEE总经理贺荣明说，他在德国看到，抛光镜片的工人，祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

另外，光刻机需要体积小，但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机，使用波长短的极紫外光，光学系统极复杂。有顶级的镜头和光源，没极致的机械精度，也是白搭。光刻机里有两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。

贺荣明说：“相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，不能刻坏了。”而且，温湿度和空气压力变化会影响对焦。“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。”贺荣明说。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。像欧洲冠军杯决赛，任何一个人发挥失常就要输球。

有兴趣的社友，可以来看看ASML公布的极紫外光光刻机内部加工时的镜头，十分震撼：

世界上最贵精密仪器出厂地

看起来好像光刻机的工作原理不是特别复杂，但实际上的难度很大，需要非常强的光刻技术，而掌握全球最强光刻技术的就是荷兰。

目前全球只有一家企业在全球45nm以下的高端光刻机市场中占有80%的份额，就是处于荷兰的ASML旗下所研发的EUV光刻机曾售价高达1亿美元一台，而且还不一定有货。皆因每台光刻机的装配大约需要50000个零件左右。国际上著名的芯片制造商如Intel、台积电、三星都是它名下的股东。

阿斯麦公司ASML Holding NV创立于1984年，是从飞利浦独立出来的一个半导体设备制造商。前称ASM Lithography Holding N.V.，于2001年改为现用名，总部位于荷兰费尔德霍芬，全职雇员12,168人，是一家半导体设备设计、制造及销售公司。

目前全球只有ASML可以生产7nm精度光刻机。

平时听各大手机厂商宣传说自己的芯片采用的是10nm技术或者是7nm技术说的其实就是用哪一个精度的光刻机。

既然ASML的市场份额这么高，其他的国家公司想要发展自己的光刻机行业一定会抢占它的市场份额。

不过从上个世纪80年代到如今，ASML仍然稳坐第一是因为其对研发投入的成本非常之大。

去年ASML的销售额是21亿欧元，研发支出就达到了4.8亿欧元，占用营收比的22.8%。

除了研发投入大之外，ASML后方还有多方支持。表面上看ASML是一家荷兰公司，实际上欧盟和美国为其提供了许多技术支持，可以说整个西方社会都在为ASML做支持。所以为什么美国可以干预荷兰不要出货给中国就说得通了。

至于为什么中国要买，理由就简单的多，因为自己做不出来。

光刻机是需要时间、技术和财力多方积累堆砌而成的科技产物，就算是国家倾力研发也需要一定时间。

不过中国也不是完全做不出，经过资源整合和技术研发，中国目前已经具备量产14nm精度光刻机的技术。但从客观上看来14nm和7nm还差了一大截。

值得庆幸的是这一差距正在极速缩小，就在今年，中科院宣布攻克了技术难题，掌握了2nm的制程技术。

从突破到量产还需要一段时间，最快2024年会投入生产。相信国产手机用国产技术做国产芯片的日子离我们不远了。