中国的光刻机到底到了什么程度

2024.9.9，中国工信部公布的《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》中，有如下的内容。

简中网上可谓喜大普奔，一类典型的言论是把“套刻≤8nm”理解成“工艺制程8nm”，比如腾讯网上这位“彼得堡的肥天鹅”就在标题中写明“7纳米芯片已不是障碍”，激动之情溢于言表，这当然可以理解。

对了，弱弱地吐槽一下工信部，“照明波长”的说法太奇怪了，业界一般采用“光源波长”的术语，因为光刻机的光源与照明没有半毛钱关系。希望工信部不久后能更正。

另外，工信部没有透露光刻机的重要参数 NA值（数值孔径）以及产率，这说明这两个指标可能不太理想。

首先，笔者明确这款DUV光刻机确实是一个重大的技术突破，能够在很大程度上解决芯片制造领域的卡脖子问题，可喜可贺！不过，在任何时候，保持清醒的头脑总是没错的。我们不应该过分乐观，也没必要妄自菲薄。那么，这款DUV光刻机世界最先进的水平（阿斯麦尔 ASML）相比，处于什么位置呢？我们今后的努力方向又是什么？

我们先看看光刻机的技术迭代路径，参见下表。

光刻机迭代演进表

宽泛地说，中国早就突破了DUV光刻机了，在本次工信部的《目录》发布之前，国产最先进的光刻机是上海微电子的SSX600型号，最小工艺制程为90nm。不过，它的光源波长是248nm，属于第三代KrF光刻机。下图源自上海微电子SMEE的官网。

而这次工信部公布的最新光刻机则属于第四代ArF光刻机，波长为193nm，这当然是一个重大的技术进步和突破，毕竟跨代了嘛。

顺便提一句，高端光刻胶也是一个重要的卡脖子技术，其中ArF光刻胶的用量最大。目前中国已能自主生产与193nm光源匹配的ArF光刻胶，虽然品质与日本产品尚有差距，但总算是有了。不过，用于更先进的ArFi和EUV工艺的光刻胶，中国目前尚依赖从日本进口。

那么，国产光刻机与ASML的差距有多大呢？请看下表。

几点说明：

（1）尽管制程精度均为65nm，但ASML的套刻精度为3.5/5.0nm，几乎比国产新型光刻机8nm 好了一倍，这个差距不算小。但提高套刻精度相对而言不太难（绝对难度并不小），相信中国在短期内应该能追上。

（2）网上有个普遍的说法，芯片代工厂的最终工艺节点，即吃瓜群众平时挂在嘴边的多少纳米的工艺制程，是套刻精度的3倍，即8nm的套刻精度，其工艺制程最小可达24nm。因此，按照这个说法，工信部公布的最新国产DUV光刻机，通过多重曝光的手段，生产28nm制程的芯片应该没有问题，但可能良率不会太高。

（3）ASML量产的ArF光刻机只有两款：1460K和1470，而分辨率为38nm的ArFi光刻机则有7款之多，这说明目前市场的主流需求是4.5代的ArFi光刻机。而这正是中国科技人员需要攻克的下一个高峰。

由于ArF和ArFi 都采用193nm波长的光源，后者“只是多了一点水”，攻克难度应该不大吧？答案是否定的。ArFi 的技术难度极大，而且ASML还有专利保护。

浸润式的原理确实非常简单，但在工程实现上挑战极大。只是将光路介质从空气换成水，就要考虑几点：如何保证水流过光刻胶不产生杂质和气泡，水流和晶圆高速摩擦产生的热如何散发，怎样均匀化水流的热场.....很多专业性很强的难题.

单是如何将水放置到对应的光刻位置，也是一个极大的技术难题。ASML用气体将水稳定在既定光刻位置，巧妙地解决了这个问题，但在如何让水在气体内流动、气流和水流之间如何平衡、水流如何通过气流散热等技术点上，ASML花了大量的时间才得以解决。

虽然坏消息是ArFi 工程实现的难度极大，但好消息是ASML有关浸润式工艺的多数专利即将到期了。但笔者相信，以中国工程师的聪明才智，以及不计成本的资金投入，在3-5年内，中国大概率能国产ArFi浸润式DUV光刻机，套刻精度约2.5nm。如此一来，通过多重曝光的加持，7nm的工艺制程就是手拿把攥的了。如果套刻精度能来到2.0nm,那么5nm甚至4nm制程也不是梦。当然。届时我们希望与ArFi工艺匹配的光刻胶也同样国产化了。

ArFi浸润式光刻机的局部图（来自ASML官网）

中国是否应该跳过ArFi，直接挑战EUV呢？或者，在攻克ArFi后再挑战EUV呢？

笔者的观点是不必了。相比EUV，ArFi的攻克难度要小很多，而且还有ASML的过期专利可以“抄作业”，因此，国产ArFi光刻机的目标是必须要完成的。而EUV的难度系数实在太大了，有些专家建议不必执着于“弯道超车”，而应“换道超车”，就像中国电动车VS燃油车一样。笔者非常认同这个思路，而且中国的一些学校和企业以及开始了这方面的努力，并有了一些初步的成果。虽然距离商业化成功还有很长的路，但是，这是中国人自己趟出来的赛道，并且，其难度与EUV也大致相当，为什么要步别人的后尘呢？

下表是笔者拍脑袋给出的中国光刻机发展演进时间表，强调：没有任何权威性。