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我国花在进口芯片上的...

花匠小妙招
2024-12-23 14:42

我国花在进口芯片上的钱超过了进口石油，芯片成为消耗外汇储备最多的项目。而光刻机是用来制造芯片的核心设备。一台最先进的极紫外（EUV）光刻机，市场售价高达1.2亿欧元，和一架波音737客机的价格差不多。
我没讲过光刻机，因为不专业，最近看了本书《光刻巨人》，这是全球光刻机唯一巨头ASML公司的企业传记。所以聊聊一些网友关心的几个问题：
一、光刻机的原理是什么？
二、评什么讲“光刻机是半导体工业皇冠上的明珠”，是人类文明的极限之作。比造原子弹要难？
三、荷兰一个小国，阿斯麦一家1984年才成立的小公司，为什么能能战胜美日成为世界唯一？
四、为什么台积电能成长全球第一的芯片制造公司？
五、为什么我们跟荷兰公司买光刻机，美国人不点头就买不到？

依次来回答
一、光刻机的工作原理是什么？
光刻机的工作原理不复杂。你可把光刻机看作一台高精度的底片曝光洗印机
光刻机负责把“底片”，也就是设计好的芯片电路图曝光到“相片纸”上。这个“底片”有一个专业名称，叫做“掩膜”。
而“相片纸”，就是制造芯片的基底材料硅晶圆；
曝光完成后得到的最终“照片”，就是芯片。

光刻机最关键的部件只有三个：
光源发射器
用来调整光路和聚焦的光学镜头
放置硅晶圆的曝光台。

二、评什么讲“光刻机是半导体工业皇冠上的明珠”，是人类文明的极限之作。比造原子弹要难？
既然工作原理和基本结构并不复杂，为什么专家形容光刻机=集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。

细节描述与形象比喻是有力量的。以目前华为的麒麟7纳米芯片为例，来看光刻机的三大技术难点：
（1）光刻机的第一个技术难点，光源：
先说7纳米芯片的精度要达到什么样的程度？
如果把光想象成一把刻刀的话，那么光波越短，这把刻刀就越锋利。我们知道，1纳米等于百万分之一毫米，7纳米芯片意味着，它的每个元器件之间，只允许有几纳米的间隔距离，相当于一根头发丝粗细的万分之一。
要曝光这样的芯片，必须采用一种特殊的光源，也就是极紫外光，它的波长只有13.5纳米，是可见光波长的几十分之一。但是，极紫外光源很难制造。有大概20年的时间，光刻机所使用的光都是波长为193纳米的深紫外光，一直无法突破。直到2015年，阿斯麦才研制出了第一台极紫外光刻机。到今天，也只有阿斯麦一家公司能够生产极紫外光刻机。

（2）光刻机的第二个技术难点，是用来调整光路和聚焦的光学镜头：
高度精密的光学镜头是光刻机的核心部件之一，这种镜头要有多精密？如果把镜头放大到一个地球那么大，它上面只允许有一根头发丝那样的凸起。所以有人说，这可能是宇宙中最光滑的人造物体。

（3）光刻机的第三个技术难点，是对准：
芯片不是一次曝光就可以完成的，而是必须更换不同的掩膜，进行多次曝光。就好像用单色印刷机印彩色图纸，要用四种不同的颜色，在同一张纸上印刷四遍。在这个过程中，如果下一道印刷没有完全对准上一道的图案，就会出现重影，图像就废了。
光刻机也是这个道理。别忘了前面说的，芯片的每个元器件之间只允许有几纳米的间隔。这就意味着，掩膜和硅晶圆每次对准的误差，也必须控制在纳米级别。硅晶圆曝光完一个区域之后，放置硅晶圆的曝光台必须快速移动，接着曝光下一个区域。要在快速移动中实现纳米级的对准，这个难度就相当于，你要从眨眼之间，端着一盘菜从北京天安门冲到上海外滩，恰好踩到预定的脚印上，菜还保持端平不能洒。

除了光源、镜头、对准这三大核心技术难题，还有一系列外围的技术难题，比如，比室外空气干净1万倍的超洁净厂房，防止机器抖动的磁悬浮装置，以及配套的计算光刻软件，等等。现在你明白，为什么光刻机被称为“半导体工业皇冠上的明珠”。制造一台极紫外光刻机，就是在挑战人类工业文明的极限。

三、荷兰一个小国，阿斯麦一家1984年才成立的小公司，为什么能能战胜美日成为世界唯一？

当年光刻机市场已经是群雄并起，有十来家生产商，市场份额较大的有美国的著名仪器制造商珀金埃尔默公司和GCA公司，以及日本的尼康和佳能。阿斯麦公司在成立后的两年内，市场份额为零。

不过虽然阿斯麦1984年才成立，但阿斯麦并不是草根出身，背景强大。
它的技术来自飞利浦公司。
而早在1960年代，飞利浦的物理实验室就开始研发光刻机，想想吧，60年前，能力不是短时间难堆起来的。。。

但飞利浦虽然是家巨无霸公司，但持续投入研发光刻机也受不了（每年至少需要投入1000万美元研发）。后来没办法就找公司合资搞，结果没人参与，只有荷兰一家公司参与。最后成立了阿斯麦这家合资公司。

当然任何公司的成长都需要天时、地利、人和，阿斯麦也不例外，你看：
1，芯片行业的“摩尔定律”：摩尔定律是指每隔两年，同样大小的一块芯片上，晶体管数量会增加一倍。这要求产业要不断做技术更新，这给了阿斯麦换道超车的机会（加上有换道超车技术实力资本）

2、系出名门很重要：飞利浦在技术上，在产业链上帮了很多，书中讲过，给阿斯麦镜头供货的蔡司公司因手工打磨镜头无法扩大规模，飞利浦专门帮助蔡司研发出自动打磨镜头的工艺与机器设备。

3、国家资本投入：你想飞利浦这家巨头公司都投不起，阿斯麦在开始的十年非常难，如果不是荷兰国家资本持续投入，是出不来今天的阿斯麦的。
这里我要再聊我多次讲的观点：科技创新与资本支撑是分不开的。阿斯麦的崛起值得我们借鉴。所以我判断

所以我才谈国家大目标是发展高科技。就必须要新技术+金融资本双生才能做到微博正文
逻辑路径会是：
国家大基金、国有资本运营公司投入（淡马锡）
印钱有资金来源（降低资金取得成本，但不能钱生钱空转）
投哪里？投资高科技企业
创新机制完善：完善注册制与退出机制
对高科技企业持续有资金投入
国家基金分步退出
最后结果：高科技概念股市值上涨（所以现在买股票是对的）

四、为什么台积电能成长全球第一的芯片制造公司？
书里提到了阿斯麦有2个贵人，其中之一是台积电，台积电在换道超车上帮助阿斯麦攻克技术难题，让阿斯麦进入全球前2名厂商，而台积电也因在换道超车中能生产精度更高的芯片，而成长为全球第一芯片制造公司

这里也看出台积电的技术实力。台积电可不是一家只会买来设备生产的公司。

五、为什么我们跟荷兰公司买光刻机，美国人不点头就买不到？

刚说第一个贵人台积电，帮助阿斯麦弯道超车成为世界第二。而第二个贵人英特尔更厉害，它让阿斯麦一骑绝尘，至今再无对手！
聊第二个问题提到光源，精度越高,就必须让光刻机的波长缩小一个数量级才行。而现在用的极紫外光，它的波长只有13.5纳米，是之前用的深紫外光的1/15。
而要制造出这种光源的光刻机，必须举当时全美国最先进的科技力量，共同研发。1997年，英特尔和美国能源部牵头，成立了一个研究组织叫做“极紫外联盟”（EUV LLC），成员包括摩托罗拉、AMD，以及美国三大国家实验室；总投资两亿美元，集合几百位顶级科学家，从理论上验证极紫外技术的可行性。从1997~2003年的6年之内，极紫外联盟的科学家发表了几百篇论文，扫清了极紫外技术的理论难题。
这里美国已经没有光刻机厂商了，美国人就把技术转让给阿斯麦，但对这家荷兰公司不放心，让它做出了一堆承诺，几乎把阿斯麦变成了半个美国公司。目前阿斯麦的前三大股东都是美国公司，这就是为什么中芯国际想买阿斯麦的极紫外光刻机，而美国人不让卖就没法卖，因为技术是人家的。

所以中芯国际曾经在2017年下血本向阿斯麦订购了一台极紫外光刻机，但由于美国的阻挠，这台机器至今没有到货。如果美国全面断供芯片，而我们又买不到最先进的光刻机，则华为手机就将面临没有高端芯片可用的风险。现在手机业务从华为公司分拆出来，也是希望能变通解决断供问题。

阿斯麦有了美国人的技术转让，再加上阿斯麦高达每年10亿欧元的研发投入，阿斯麦终于在2015年实现了极紫外光刻机的量产。。。

最后我只是把事实摆出来，要喷的再看看这三个比喻：

（1）光源:如果把光想象成一把刻刀的话，那么光波越短，这把刻刀就越锋利。我们知道，1纳米等于百万分之一毫米，7纳米芯片意味着，它的每个元器件之间，只允许有几纳米的间隔距离，相当于一根头发丝粗细的万分之一

（2）光学镜头：如果把镜头放大到一个地球那么大，它上面只允许有一根头发丝那样的凸起。这可能是宇宙中最光滑的人造物体。

（3）对准：要在快速移动中实现纳米级的对准，这个难度就相当于，你要从眨眼之间，端着一盘菜从北京天安门冲到上海外滩，恰好踩到预定的脚印上，菜还保持端平不能洒。

做不到也不丢脸，现在除了这家因“天时、地利、人和”才做到的公司，没哪个国家能做，因为光刻机=集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。人家已经打了上百年的基础。

有些事快不得，只能慢慢来，千万不要搞造假之路，贻笑大方