中国和高端光刻机的差距，想超越台积电前，一定要清醒的认识到自己的不足，嘴炮没办法强国！请听听华为董事长任正非说的！

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Sep 24, 2020

上周我们讨论了一下台积电称霸半导体制造业的一些软性条件。那这周接着来讨论一些硬一点的什么软的，简单的说就是没有也能硬来。那比如说我说的当时每日贸易战的大环境，那国内半导体人才的现状、产业链里的定位等等。说到底，这些都是能通过钱在短期内解决的。那每年如果我们愿意像共享单车那样疯狂的烧钱，那确实是可以短暂的烧出一个大环境的人才。这方面美国可能还可以稍微做限制。但是说真的，只要钱到位了，创不报都能挖过来。但是设备一旦被禁，短期内想突破就有点困难了。如果台积电被美国卡住了，设备那一样要倒闭。不知道各位来自宝岛台湾的观众们同不同意我这个观点，所以我们今天要吹的牛直接就升华了，我们已经不是在吹如何建一个台积电了，而是要怎么超越台积电了。

大家好，我是小岛，今天呢我们就来讨论讨论中国大陆的半导体想要突破所必须要啃下的硬骨头设备。这期视频的材料其实我准备了很久，主要问题还是真正懂的人太少，懂得又有时间来讲的就更少了，所以资料比较难找。我本身虽然勉强算是管我们公司半导体工艺和设备了，但是接触的工艺都是比较后段的。那说难听点就是没啥技术含量。那多数情况下我们讨论的半导体实际上是前段的知识，那尤其是光刻不知道各位观众每次看到有关半导体的文章或者视频的时候，有没有一种困惑，什么7纳米14纳米10纳米加或者说机器虽然是多少纳米的光源，但是能做多少纳米的产品，还有什么duveuv的，或者说新闻有时候告诉你中国大陆又突破了多少纳米了。但是另外一个新闻又告诉你，中国自主的技术可能离世界先进还有很大的距离。

那我一开始也很疑惑，经过这段时间的学习，终于把一部分问题给搞清楚了，所以来和大家分享分享。首先先给大家了解一个非常基本的信息，用这个信息你就可以过滤掉大部分的不准确的信息了。那就是中国大陆完全自主的设备可以做到90纳米的支撑。没错就是90纳米。那我在之前的一个视频里就提到过这个，那但是不少国内的观众提出了质疑，说中芯国际已经能做14纳米了。那还有一些人说就是那个90纳米是光源波长，那通过零本间的浸润式光刻多次曝光，可以做到28纳米14纳米了。那说的我一愣一愣的。

第一个说法非常的不正确，中国已经能够量产5纳米了，只是用的是美国的技术为主，你当我大台积电不存在吗？这个观众我要批评你这个想法是吧。那第二个说法就是偷换概念了，磷本间的新技术用液体缩短了光的波长，使得光刻的工艺突破了一些节点，这就相当于给博尔特吃药跑进了9秒。但是这不代表普通人吃药就能跑进11秒。90纳米就是中国大陆现在的极限。我虽然在开玩笑的和大家讲，但是我的心情也是很沉重的。你们不要骂我，我说的真的就是事实。虽然我们是一个以吹牛为主的频道，但是这件事以我的视频为准好不好？所以大部分的新闻，那除非他是告诉你中国要从90纳米突破到多少，否则都还是使用的以美国技术为核心的光刻机做的。

那当然还有一种新闻是真的，比如说这个说中国突破5纳米工艺瓶颈，但是你要仔细看就会发现新闻说的是10克机不是光刻机，虽然只差一个字，但是天差地别，10克机的生产难度和利润是远远无法和高端光刻机比的。那没有光刻机，你就算10克做到1纳米都没有用。当然了10克能做到5纳米也是值得称赞的。

那真正困扰中国大陆的还是光刻机？那为了搞清楚光刻机有多难做，我特意咨询了几个在金元厂管理工艺或者设备的同学。那结论就是他们也不知道具体有多难做，SML的机器的安装调试根本就不会假手当地客户的工程师。那工程师能做的只是调整一些参数，连机器保养都只能做一些比较基本的。那关键零件的保养依然要交给sml的工程师。所以说许多机器的具体精度的数据，那我们作为用户是不知道的。但是好歹他们也是正儿八经的业内人，知道的肯定比媒体多得多。那我大概总结了一下他们告诉我的难点，会尽量简单的和大家来讨论讨论。那万一有懂得更多的大牛发现我的错误或者有想要补充的，欢迎留言。尤其是如果有台积电的朋友，那在不涉及泄密的前提下，欢迎分享，我会把你的留言置顶供大家了解。首先这是sml光刻机的原理图，其实也没什么复杂的，就是激光器产生激光，那通过几个镜片转来转去，那再穿过一个像剪影指的模子，那把光打到晶圆上面的光刻胶上，这个吹点大家应该记住了吧。那些把光刻机吹的你都听不懂的，还是属于比较低端的业余吹者，咱们这种浪吹家必须吹人民群众听得明白的牛光刻机的原理其实是很简单的，那但是中国有几个难以突破的点。

第一个就是精度。前面的视频我大概讲过最简单的光刻和时刻的原理。那芯片难做的一个很大原因是所有的工艺我们不是只做一次就结束了的。那复杂的芯片可能要做上百层的晶体管，每一层都可能需要在不同的机器上做不同的工艺。那光刻相当于是给后面的步骤画草图。那一层工艺全部做完之后，你又得回到光刻机上再打一次草图做下一层。这时候一旦偏差稍微大一些，芯片就废了。所以每次光刻前都需要做层与层之间的校准。那根据我朋友说的，错了不是我的问题。

sml现在的机器的校准精度大概是1到2纳米这还没完，大家注意sml光刻机的示意图，物镜下方有个曝光台，那左边还有个测量台，作用就是他们字面上的意思，左边的测量校准，右边在紫外线下曝光。但是事实上这就很了不得了。那因为市面上大部分的普通机器，这个测量台和曝光台是在一起的。那为什么呢？因为测量完之后不敢再碰或者移动晶圆了，吹口气上去误差都搞不好几十纳米了。但是sml做到了，你在测量台上测完，那再送进曝光台，误杀还是控制在1到2纳米之内。你不要小看这样一个小小的区别，在产能上，这种双击台比单机台高30%以上。所以你说sml的机器卖一亿美金贵吗？对于我们这些吃瓜群众来讲当然贵了。

但是对于台积电之类的，每天24小时生产不断的公司，他可能觉得很便宜。那我工作的前一个公司是做半导体后端设备的。那当时死皮赖脸拉着台积电说要做一个晶圆封装的新机器。那台积电只需要出需求，一分钱不用出咱们出人出力。那机器做出来后，台积电不太想要，原因就是产能低，良率差，拿回去占地方。那现实就是这么残酷，当时我们研发的一堆工程师经常干到半夜，那结果就是免费送人家，但人家不想要。

那回到光刻机，中国大陆面临的问题和台积电还不太一样。那台积电只需要保证工程师知道怎么保证机器1到2纳米的精度就行了。那么大陆因为现在的限制，他们必须自己做出一个我们就说两纳米精度以下的机器。要想比较精准的画出1厘米的线，我们最好能保证尺子的尺度最小刻度是毫米级就是要高一个量级。那同理，想做出一个1纳米精度的设备，我们必须使用一个精确度高于1纳米的工具。

这就回到我们以前提过的瓦森纳协议了，高精度的制造设备中国是无法通过购买获得的，今年先不花时间在这个问题上，所以说在造光刻机之前，我们还得想办法造一个更准的工具。那前面我们刚刚讲过光刻机的原理，各位还记得吗？如果忘了不要紧，说明我说的还不够形象。那更简单点说，光刻机其实就是个大号的照相机，那光通过镜头进入相机，然后给底片曝光。那玩过相机的朋友肯定知道，好的，镜头非常贵，那女人的包在男人的相机面前，那就属于廉价商品。那如果你女朋友老让你给他买包，你就让他给你买相机，很快你就能拥有更多的独处时间来反复的刷我的视频了。

那光刻机跟照相机差不多，它的底片就是涂满光刻胶的晶圆电路图案经光刻机缩微投影到底片部分，光刻胶被光刻去除，然后就可以做时刻了。位于光刻机中心的镜头由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片必须是高纯度透光材料，加上高质量抛光，这玩意儿比一般男人玩的还要贵得多。一套下来可以换个海景房了。

那这里边涉及到两个难点，那一个是材料，那另外一个是打磨的工艺材料我不是特别懂，只知道镜片的材质要非常的均匀，但是具体多难，我没办法用数字表现出来，但是打磨工艺倒是有具体的数字。那sml在他们的Facebook上有讲，他们现在的镜片的加工精度已经达到了小于50匹米，那我当时就觉得我的知识点有点匮乏了，匹米是个啥？查了下才知道，一匹米等于0.01纳米。也就是说sml现在的光刻机的镜头精度小于0.05纳米。

然后最让我无语的是这个镜头是德国蔡司手工打磨出来的抛光镜片的，也不是什么博士教授就是工人，但是人家有的是祖孙三代一直干抛光这个活。荷兰人说话很嚣张，说如果把这个尺寸放大到荷兰国土一样大，误差不超过1毫米。我稍微查了一下国内市场上的镜片厂商，据说前六是伊士路蔡司豪雅进攻凯米罗顿斯德，那分别来自于法国、日本德国、日本还有韩国。有些对光刻机做过一些了解的朋友，可能常常接触到两个词，duv和euv挺容易搞混的。UV是紫外线，DDE是extreme简单的说，duv就是生紫外线，euv就是比duv还要深。那高端叫法叫极生紫外线。Duveuv.在网上比较容易找到一些学术性的资料了，我找到了这篇UV光刻技术的难点分析的文章，那里面介绍了euv的一些难点。首先来说一下euv和duv有什么区别。简单的说，UV使用的是13.5纳米的波长的光源，而duv用的是193纳米的光源。这都不用我详细解释了，肯定是越小越精确。原来的duv即使是使用浸润式光刻，那为了达到14纳米或者更小的制程，需要多次重复的曝光。而一旦使用了euv，首先可以做更小的制程了，即使是做和之前相同大小的制程，那时间也大大缩短了，因为不需要使用这么多次曝光了。

这是为什么？有人问我啊，新加坡当年的CSM啊，现在的GF之类的半导体公司怎么不行啦？不是排世界第三吗？一步差步步差。那在技术和设备更新迭代这么快的情况下，台积电一家就几乎能垄断所有的高端芯片的产能。那因为机器的效率在成倍的增长，又说的有点远了。那euv的难点在哪里呢？那第一就是光源，那光源会将等离子体转化成波长13.5纳米的光。然后这些光会在一个包含十多层镜面的复杂配置方案中的反射UV有一个很大的问题，就是几乎任何物质都能吸收它。换句话说，之前duv浸润式的工艺就完全没用了。那曝光必须在真空中进行。那大部分的光在通过机器时会因为多次反射而被损耗，要将euv投入大规模制造中使用。那必须能够有250瓦的输出功率，而激光转化为UV的效率只有0.28%到0.56%。那换句话说，要达到使用要求，机器必须能够提供接近一百千瓦的激光输出功率。美国海军在庞赛号登陆舰上安装了一门激光炮，功率只有三十千瓦。所以你大概可以想象一下这个机器有多猛，改造一下就可以搭飞机。

这么强的激光在光刻中又会产生大量的热量，所以光刻机无时无刻不处在主动降温的状态下，这就对光源的输出功率的稳定性要求非常高了。那一旦输出不稳就会产生温度的变化。那继而良率降低。所以光源的难度在于首先需要能够提供无比强大的能量。那其次要有非常强的稳定性以及控制的精准度，保护膜也是非常重要的。因为在顶级的无尘房内制造过程中仍然会产生一些灰尘。那落在光眼膜上的灰尘微粒可能就会在每一个完成的芯片上形成一个足以毁掉整个装置的阴影。要想适用于UV保护膜，必须有超薄的膜衣，那让其透明但又必须有足够的强度来承受来自光眼膜正常扫描运动中的机械冲击以及伴随高难EUV辐射产生的热冲击。据说即使到现在EUV的保护膜技术依然不够成熟。其实这段说到这，我还是有点心虚的，因为我不是特别懂。那包括我的朋友们，也没有一个有机会碰过UV的机器，但是我也许可以换个角度来讨论它的难度。那人类对UV光刻技术的研究早在20年前就开始了，那几乎所有的发达国家都加入了这次战斗。那早在1996年以前，美国的国家实验室atnt和相关大学就已经开始了研究。1997年，美国科技巨头们开始集体行动，英特尔联合MD摩托罗拉mikeoninferior还有IBM那成立euv光刻技术研发联盟。1999年，euv光刻技术被国际半导体技术发展路线图确定为下一代光刻首选技术。那这就意味着只要不参与到euv技术的研发中，就等于在下一代芯片竞赛中自动齐全。于是我们看到美国有超过50个研究单位参与到euv技术的研究中，欧洲更猛，有超过35个独立国家，大概110个研究单位加入其中。日本稍微惨了点。就像我上期讲的，那虽然他们也下了重注，但是被美欧隔绝。在他们研究体系之外，韩国也有多家研究机构早早的就开始了研究。那前前后后这么多国家烧了上千亿，最终还是美国赢了分到了最大的蛋糕。那现在sml终于开始量产UV光刻机了。那我们知道美国最开始的时候通过施压荷兰，让荷兰禁止sml向中芯国际出口euv光刻机。那虽然sml当时已经收了定金，这其实是美国有点耍流氓的意思。但是不管怎么说，东西是别人的，他不卖你又能怎么办呢？哪怕说抢一台光刻机回来，那没有sml的工程师过来调试个几个月，那也用不起来。

那刚刚其实我讲的都是euv光刻机。那实际上中国有大量的企业早就已经买了duv光刻机了，那台积电三星的7纳米之神，包括英特尔的所谓的10纳米加都是通过这种duv光刻机实现的。这其实就是另外一个问题，也是许多人故意忽视的，那就是我们早就有与台积电一样的设备的情况下，那为什么我们做不到和他们一样的水准呢？那今天时间有限，我会在下一期的视频里详细的讲讲有关公益的问题。那所以今天讲完这么多，不知道大家还是不是抱着很乐观的态度？我个人认为在无法获得任何帮助的情况下，想在五到十年内追上国际先进，那其实是一个非常乐观的预计了。那这样的预计还是在创宝宝能够连任继续封锁中国的前提下的。那怕就怕这边商人和国家投了钱，刚出了点成果，美国那边就放松了前期的投入直接就打水漂了。

而且我预计大概率这种情况会发生，我其实一直不太赞同弯道超车这个词给我的感觉太浮躁了。那我还是更喜欢曾国藩的那句结硬债打呆仗。那最后用任正非任老的一句话做结尾。那修桥修路修房子，只要砸钱就行，这个芯片砸钱不行得砸数学家、物理学家、化学家。中国要踏踏实实的在数学、物理、化学、神经学、脑科学各个方面努力的去改变，那我们才可能在这个世界上站得起来。

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