上世纪我国第一颗原子弹爆炸成功之后，世界为之震惊，国人也为此自豪。如今时过境迁，在岁月洪流的推动之下，出现了一种比原子弹还稀有的东西，它就是光刻机，其制造难度属于“地狱级别”。

为什么光刻机如此难造？

因此到目前为止，全世界仅有两个国家掌握了制造光刻机的主流技术。

那么，到底什么是光刻机？掌握这项技术的国家又是哪两个？为什么光刻机的制造会这么困难？接下来，就让我们一起来看看被誉为新时代“神器”的光刻机究竟有什么特殊之处。

光刻机的总体结构示意图

随着互联网的普及，人类步入了真正的信息时代，而信息时代的关键产业当然就是IT了，那么IT最核心的东西是什么呢？

自然是半导体集成电路（IC）芯片制造技术，也叫做微电子技术。

人类高科技的产物——芯片

在这项技术当中，最为重要的就是“光刻技术”，因为它的进步可以使摩尔定律不断延伸，让更多的“高端芯片”得以出现。

相信大家都有感觉，现在的芯片与从前的芯片相比起来，不仅在性能方面有了很大的提升，就连“个头”也是在做减法，而这其中的的奥秘就在于“光刻机”。

光刻机种类示意图

它对可制造材料有着丰富的兼容能力，且能在“纳米尺度”对器件任意的几何构型都有一定的支持能力，使得小小芯片当中容纳的晶体管数量越来越多。

一张小小的芯片就含有几十亿个晶体管

当然作为一项可以与原子弹制造比肩的高新技术，光刻机的发展也是经过长期积淀的，所以根据所用光源的改进以及工业创新，光刻机前后经历了大约“5代产品”。

第一代为接触式光刻机，掩模会和光刻胶直接接触，使掩膜版和基片都易受到损伤。第二代是接近式光刻机，掩膜版与基片之间的间隙虽然使得这一代的寿命变得很长，但是成像质量也受到了影响，分辨率明显下降。

到了第三代时，就已经有了明显进步了，属于扫描投影式光刻机，在这种技术下光学曝光分辨率增强得到了突破，将光刻推向了深亚微米和百纳米级别。

投影式光刻机与照相机的对比示意图

至于第四代步进式扫描投影光刻机，就实现了在光刻过程当中掩模和硅片同步移动，将芯片的“最小工艺”节点再次拔高。

第五代EUV光刻机，就是现在各国追求的尖端光刻机。因为这个光刻机，已经将最小工艺节点推向了一个“极限”。

全球首台EUV光刻机原型

说到这，可以看出光刻机一路的发展其实都算是在挑战“极限”，不断靠近最小工艺节点。那么，大家认为能够拥有如此高超的研发能力，掌握这样核心技术的国家会是哪两个呢？

许多人可能第一时间就想到了美国，毕竟美国一直在不少领域都掌握了核心科技。但实际上，掌握主流光刻技术的两个国家分别是荷兰和日本，就连美国的光刻机也只能依靠进口。

全球光刻机市场格局示意图

在这之中，荷兰的阿斯麦尔公司主导高端市场，日本的尼康和佳能则占据了低端市场的大量份额。那么，这只让“两家独大”的光刻机，到底有多难造？

其实对于光刻机为什么这么难造的问题，我们可以用第五代EUV光刻机为例子，来找找原因。

首先EUV光刻机的总重量达到了180吨，需要几十个集装箱运输，并且即使运到了地点也要准备一年的时间等待安装调试。可以看出，光刻机绝对不是大家想象中的“小玩意儿”，它是非常庞大和复杂的。

每一个零部件的调试都至关重要

目前的高端光刻机的制造主要面对几个技术难题，第一就是解决“光源”的问题。

由于要实现更精细的工艺节点，光刻机必须要把光刻画成直径极其微小的线条，而这个初始光源就显得尤为重要了。

EUV光刻机使用的是13.5纳米的极紫外线，这种紫外线是短波紫外线多次反射后得到的。而得到这个光的方法，不亚于用乒乓球打苍蝇，而且是每秒要打五万次，次次都得击中。

光刻机的工作过程示意图

第二就是工作台的高精度移动，因为要配合芯片加工的情况，工作台在工作的时候必须要保持同步精准，不然即使光刻技术没问题，也会因为细小的偏差功亏一篑。此外还有耗电、反射镜等高新技术问题，都是光刻机能否顺利制造的关键。

当然，技术难题只能算是其中的一个“小巫”，因为各国对于光刻机的制造都很上心，所以随着技术的研发，许多技术上的难题都将被解决。因此最大的问题其实在于，咱们上文中说的，光刻机本身是非常庞大和复杂的，它内部的各个零件都来自于不同的国家和公司，算得上是真正的“大杂烩”。

光刻机的内部结构精密复杂

就用荷兰阿斯麦尔公司制造的EUV光刻机来说，这个光刻机中有10万多个零件，其中90%的关键设备都来自其他国家，该公司只负责整机设计和各模块集成。

可以看出，想制造光刻机仅有核心技术是不够的，因为许多零件都要依靠进口，在这种情况下，想独立制造，肯定是极难做到的。

ASML的EUV光刻机

简单来说，光刻机算得上是凝聚了各国人才心血的产物，其原材料来自五湖四海。而荷兰和日本虽然已经在这个领域独占鳌头，但是也无法实现“整机国产化”生产，依旧需要全球上下游产业链的供给和支持。

除此之外，光刻机的研发经费过高也是一个关键的问题。尤其是在前期研发并无法量产的情况下，几个亿砸进去就像是石子落入大海一样，有时候连个“响”都听不见。

光刻机的研发难度难以想象

因此，不少国家在衡量了利弊之后，还是选择了直接进口。毕竟想靠着自己研发并且生产，实在是太费劲儿了。可能等到光刻机的制造难度再降低一些，未掌握核心技术的国家才会选择继续研究。

值得一提的是，由于各国之间存在“政治博弈”，所以我国的芯片制造领域一直面对着很大的难题。

虽然近年来，国家对于光刻机制造十分关注，甚至出了不少钱投资研究，但是我国的光刻机想真正“落地”还有很长的路要走。

正在研发国产光刻机

首先就是我国目前依旧缺乏高性能光刻机制造技术，从光刻机的发展历程就能看出，它对于工艺节点的要求越来越高。

高性能的光刻机当中集合了德国的蔡司镜头技术、美国的控制软件和光源以及日本的特殊复合材料等等。而以上这些，都是咱们的短板。

组件众多的光刻机内部

其次就是高端光刻胶主要依靠进口，比如适用于12寸硅片的ArF光刻胶就是完全依靠进口的。从目前的情况来看，高端光刻胶当中日本所占的份额最多，其中生产的企业有日立化成、东京应化、日本富士胶片等等。

此外其他用于制备光刻机的原材料也常常出现短缺的情况，尤其是在政治博弈的背景之下，我国在这方面总是会被“卡脖子”。

最后就是人才短缺的问题，以目前的情况来看，国内缺乏高技术人才，并且在半导体企业规模小待遇低的情况下，许多人都不会选择这个行业，人才流失极为严重。

国产光刻机的研发之路任重而道远

由此可见，如今想造出这种比原子弹还稀有的东西并不容易，尤其是想“独立制造”的话，肯定是需要“厚积薄发”的，大家不妨就耐心等待吧。