比原子弹还稀有，全世界仅有两个国家掌握，光刻机为啥这么难?

综述

我国从一段艰难的抗争岁月中挣脱出来，非常能够明白落后就要挨打的道理。自从建国以来，我国不断发展壮大，在各个领域努力追赶。

现在的中国人人安居乐业，完全想不到就在上个世纪的建国初期，我国还经历过了严重的饥荒，无数老一辈对饿肚子的体验牢记在心，直到现在都舍不得浪费一粒米。

而就在四五十年前，我国经济还处在较为落后的阶段，小汽车还很少能见到，人们多数是骑着自行车，而电视机对于那时的很多人来说，也是根本买不起的价钱。

八十年代的自行车

直到改革开放以后，人们也逐渐富裕了起来，我国也在生物、军事、航天等领域逐渐取得了较为突出的成就，甚至连原子弹也造出来了。然而现阶段最为重要的光刻机技术仍然只是由两个国家掌握着，它的存在甚至比原子弹技术还稀有，以至于目前我国依旧在芯片上被卡脖子。

原子弹‍

中国第一颗原子弹的制造有多难，是现在的我们所无法想象的。

由于西方对中国的技术封锁，我国几乎是从零开始——从零开始学习基础、计算、建设场地、设计图纸。而当时的中国经济上一穷二白，科研技术也才刚起步，建造一颗原子弹对于那时候的中国来说，相当于是刚会爬的小婴儿，突然开口要学会飞一样令世界震惊。

中国原子弹研究人员

但是在形势所迫下，中国如果想要不受到欺负，就必须要抓紧时间搞原子弹，于是在国家的响应下，海内外的科研人才，比如放弃美国优厚待遇的钱学森，纷纷投入对原子弹的研究中，艰难地摸索中国的原子弹研发道路。

而一开始研制原子弹的设备，只有计算尺和手摇的计算机，甚至科研人员还一度将算盘当作了计算的主力，一点一点测算数据。就是在这样艰苦简陋的环境下，邓稼先带领团队，终于测算出来了模拟原子弹爆炸的参数。

这还不算完，科研人员又花费了三年的时间，克服了重重的困难，成功写出来了原子弹的理论设计，紧接着开始试验原子弹的模型了。

邓稼先用算盘测算参数

这也是极其困难的过程，科研人员们是在海拔约3200米的青藏高原适应了高原反应和寒冷的天气后，完成原子弹试验模型的。

1964年5月，中国第一颗原子弹在青藏高原被科研人员们组装完毕后，被秘密送往了新疆罗布泊，将会在这个地方进行正式的爆炸试验。同年10月16日，随着一颗升腾在新疆罗布泊实验基地的蘑菇云的出现，新中国原子弹的成功也引起了世界人民的议论。

我国第一颗原子弹试爆成功

实际上依照目前的技术而言，原子弹的原理很简单，但是难的是反射性物质的提纯，原子弹的核心部件铀球，是需要铀235提纯，然后再放在里面，而这是难度最高的地方。

铀球的表面要求如同镜面一样光滑，误差不能超过头发丝的五分之一，对于尺寸的要求极其严格，然而当时我国没有数控机床，全是以人工的方式进行加工的，期间的难度可以想象。

现如今由于核武器的危害性和联合国的管束下，全世界有9个国家拥有核武器，可光刻机竟比原子弹还要稀有。

光刻机工作

光刻机‍

光刻机，简单来说，就是制造芯片的核心装备。它采用的是类似于照片冲印的技术，将掩膜版上的一些比较精细的图形，通过光线的曝光印制在硅片上面，因此又被叫作掩膜对准曝光机。

芯片的制作极其复杂，上面的线条都是以nm为单位，普通的刻刀材料根本无法在芯片上面操作，光刻机也就因此产生出来。

同时，光刻机是生产大规模集成电路的核心设备，一般是利用紫外线的方式，将光刻版的图形转移到了圆晶表面的光刻胶上，圆晶是制作芯片的基底，是后续工作能够继续完成的基础。

而一片圆晶就能制作出数十个集成电路，但是制造和维护光刻机需要高度的光学和电子工业基础，光刻机的价格往往非常贵，一般都是在3000万到5亿美元。

全世界有能力生产光刻机的只有寥寥几家公司，目前技术最先进的是荷兰公司ASML，这家公司制造出来的EUV光刻机有10万个零件，可以做到雕刻7nm的精度，误差必须控制在纳米的级别，而做出一个芯片，大概需要3000步工序。

由于投入太过巨大，唯一能够批量生产高端光刻机的三家公司，日本佳能和尼康都并没有投进过多资金，因此目前的市场是由ASML占据了全球的85%。

ASML光刻机

为什么难以制造‍

虽然说光刻机的工作原理只是看似简单的用紫外线对圆晶进行雕刻，但是实际上，目前最先进的EUV光刻机的7nm精度，相当于一根头发丝的万分之一，并且误差必须在纳米级别，难度极高，对高端技术的需求也巨大。

因此有人形容光刻机是：

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。

光刻机误差要很小

随着技术的不断升级，芯片越来越小，同时对电路刻制的精细要求也就越来越高。事实上，这也是因为为了降低芯片的单价，获得更多市场。一块300nm直径的圆晶，如果使用10纳米的工艺，就能制出210块芯片，但是如果使用16纳米工业，则就要少一倍，只能做出100块芯片。

同时芯片使用的是硅，芯片体积越大，硅片的纯度就会降低，还会影响芯片的良品率。

光刻机并非只是一台普通的机器那么简单轻松，它是一个系统工程，一台高端的光刻机光是重量就有180吨，内部至少需要10万个零件，包括3万个机械件、200多个传感器等。

而这些零部件都是来自各国的高端产品，比如美国的光源设备和激光、瑞典的轴承和精密的数控机台、德国的机械工艺和蔡司镜头等，都是最顶尖的器件。

光刻机零部件数量庞大

可以说，荷兰的ASML光刻机公司背后是整个西方国家在为它提供着技术的支持，集中的是西方400多年来的技术积累，被称为工业皇冠上的名字。

甚至有曾经参与过光刻机研制的工程师说，里面的一个零件就花了10年的时间调整，可以想象光刻机的难度有多大了。

研发光刻机还需要大量金钱上的投入，根据相关的数据显示，2019年ASML公司单单研发的经费就花费了4.8亿欧元，而在2012年研发EUV光刻机时，ASML公司差点因为耗费的费用太多而放弃。

光刻机的研发耗资巨大

对于中国来说，我们科技起步晚，经济也才发展起来十几年，工业基础相对薄弱，更别提芯片技术了，尤其是光刻机需要的零件，每一个都几乎赶超中国现有的技术。

哪怕是如今的超级大国——美国都需要联合其他国家一起制造一台光刻机，而中国一直以来都受到美国为首的西方国家的科技封锁，研发光刻机就越发难了。

光刻机的作用和影响‍

随着华为芯片危机，越来越多的人意识到了芯片对于我国的重要性，芯片是手机最重要的元件之一，对于手机产业非常重要。

而现在我们几乎出行都离不开手机的存在，打车、公交、吃饭等都通通需要手机进行扫码支付，我们的手机发展需要芯片的支持，而制造芯片的主要设备光刻机，更是极其重要的一部分。

手机芯片

早前因为国外长期以来禁止向我国售卖高精度的光刻机，我国的芯片技术曾经几乎停滞，后来才慢慢发展起来。

如果我国能够成功攻克光刻机技术，研发出属于中国自己的光刻机，那么将会推动我国发展缓慢的芯片领域快速前进。

科技是一个国家长盛发达的动力支持，国家想要发展壮大，想要在世界上拥有话语权，就需要强大的经济和科技支撑，才能在世界上保持长久的竞争力。

以前的中国科技并不发达，第一次和第二次的工业革命都没有赶上，于是我们只能用人工划动的老木船与西方蒸汽机做成的军舰相撞。

西方工业革命

我们深切地明白科技的重要性。有了光刻机，我们就不用担心西方对中国高新企业的封锁，可以自主研究与创新相关技术，拥有更多的芯片产能和市场地位。

中国所做出的努力‍

当然，事实上，我国并不是无所作为的，我国依旧是全球三大拥有光刻机制造能力的国家之一。

中国的光刻机起步其实很早，1971年就已经有了一台被看作是现在光刻机原型的机器。目前为止中国最厉害的光刻机生产商可以做出来90nm的芯片，这已经能够满足我国基础的国防和工业需求。

中国芯片制造

高端光刻机市场已经被ASML抢占，我国在低端光刻机上的市场占比也不小，上海微电子公司就在其中占了80%。

此外就在2021年，上海微电子计划将实现28nm光刻机的量产，其曝光水平几乎与荷兰ASML公司的DUV光刻机相同，这也进一步催使ASML公司与中国的企业合作，意图抢先占据中国庞大的市场。

随着国外对我国科技企业的打压，我国芯片产业和半导体领域也在不断发展进步。在芯片制造上，中芯国际透露已经成功突破了7nm芯片碳基芯片技术，只要光刻机到位，立刻就能开始制作。

中芯国际芯片

另外3nm和5nm的技术也基本被掌握，甚至华为还预计在2022年就能够发布3nm的芯片。要知道目前来说世界上最顶端的就是7nm的芯片，中国的相关产业发展速度之快，已经能在国际上占据领先的水平。

尽管目前来说我国还无法做到量产7nm芯片，其他更精细的芯片还有着一段时间距离，但是中国芯片产业已经有了前所未有的发展。

并且在科学家们的努力下，中国光刻机还取得了巨大突破，不仅核心技术之一的双工作台已经被研发出来，而且还解决了光刻机辐射光源不足的问题，成为了全世界最先进的第四代光源。

中国光刻机

芯片制造的精度达到3纳米以下时，由于受到物理极限和工艺材料的影响，很可能无法进行量产。

而中科院根据英国科学家早前研究的石墨烯成果，自主研发出来了石墨烯圆晶，有望超过硅基芯片，成为未来航空航天、移动设备、新能源汽车电池等高新领域的重要组成部分，为国内芯片的发展开辟了一条新道路。

结论‍

尽管我国的芯片发展还未冲破来自美国的束缚，但是国内的光刻机技术处在不断发展中，美国已经没了全面限制我国芯片产业的能力。

想当年在那样艰苦的条件下，我国科研人员都能够手打算盘测算出庞大的原子弹相关数据，研制出了原子弹，现在的我们有了国家的经济支持，有了源源不断的科技人员，为什么不能做到以前的前辈能做到的事情呢？

中国新型超分辨光刻装备验收