前段時間，突然聽到有很多人在問：中國自己的7nm光刻機，是不是真的造出來了？起因，是9月9日國家工信部發布的通知：《首台（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2024版）》。有人發現，《目錄》裡有2行，不太對勁。很不對勁。看圖。

這兩行，是什麼意思？是連一個形容詞都沒有，就突然靜悄悄地官宣了中國自己的新光刻機嗎？

下面那款光刻機的介紹裡，怎麼還有「≤8nm」？天哪，那不就是突破卡脖子的「7nm」了？

很快，有人說：太好了。輕舟已過萬重山，實錘了。中國終於有了自己的7nm光刻機，可以製造自己的7nm晶片，不怕再被卡脖子了。

可是，還有人說：別激動。只是誤會。那個「8nm」不是重點，它上面那個「65nm」才是。國產晶片還只在65nm的水平，努努力最多也能夠到28nm，離7nm還遠得很快。

兩種聲音，兩種節奏。

不知道，你聽完是什麼感覺？

“造出7nm晶片”，到底是個什麼概念？做到這件事，真的很了不起嗎？國家工信部《目錄》裡的那寥寥幾個字，又代表什麼？我們在晶片上的脖子，還卡著嗎？

我的感覺是，或許，可以先晚點再「感覺」。因為，對大部分人來說，造晶片這件事，太陌生了。

比如，隨便看一句新聞：

「此次官方宣布的國產光刻機，是一個套刻≤8nm，分辨率65nm，乾式，波長193nm，DUV光刻機。”

句子不算長，沒有一個生僻字。但，如果不是對這行有了解的專業人士，有多少人能看懂？又能看懂多少個字？

或許，要真的對這件事有概念，不被輕易帶節奏，至少要先了解10件事。

先從，1年前刷螢幕的那件開始。

一聲驚雷

一年前的8月29日，華為Mate60 Pro手機，在沒有任何宣傳的情況下，突然開賣。

緊接著，那幾天從各大熱搜榜，到我的朋友圈，都被一個字刷屏了：7nm晶片。

許多第一批搶購到這款手機的人，無論國內國外，都在不約而同地做一件事：拆。

把手機裡的那塊麒麟9000S晶片拆出來，跑分，驗性能，看做到了什麼水平。

結論是：這可能真的是7nm晶片。

一聲驚雷。

很多人都在感慨：“最難的時候已經過去了，輕舟已過萬重山。”

為什麼這麼說？要做一顆7nm晶片，到底有多難？真的很了不起嗎？

剛好，那段時間我的直播間請來了《晶片戰爭》的作者，餘盛老師。我也藉此機會看了一些資料，請教了一些朋友。

了解了一圈後，我越來越有種感覺：

要造出7nm晶片，真的需要越過萬重山。

如果能越過，真的了不起。

這種了不起，真的值得你知道。

所以今天，我幫你梳理了一下。

資料有點硬核，我爭取用國語跟你說。

先說，那個讓很多人起立驚呼的「7nm」。

7nm

首先最底層的問題：這個7nm，指的到底是什麼？

為什麼都在關心這個數字，很厲害嗎？

這件事，還得從你說起。

你去買手機時，是不是要它性能強，要它續航長，還要它輕薄身材好？

這三個要求，傳到晶片的世界裡，就變成了三個「終極KPI」：

PPA。

Performance 效能、Power 耗電量、Area 尺寸。

這個PPA落在製造晶片的廠商那裡，又變成了一個「小目標」：

把更多的電晶體，塞進更 小的晶片裡。

主打一個既有更多幹活兒的員工，能幫你做更多更大的項目，又少耗你的電，少佔你的地。

可是，員工太多，塞不下怎麼辦？

解決方案很過分：讓員工減肥。

電晶體的構造裡，有一道“溝”，很有點減肥的空間。

所以，注意，最開始聊晶片，說“你這是28nm晶片”，“我這是14nm晶片”時，28nm, 14nm，指的並不是晶片的大小，不是晶體管的大小，也不是晶體管和晶體管之間的距離，而是電晶體裡的這個「溝道寬度」。

但是後來，聊著聊著，捲起來了。 28nm，14nm，7nm…

捲到「7nm晶片」時，「通道寬度」是不是真的減到了7nm，已經不是重點，各有說法了，但本質沒變：

更小的奈米製程，就意味著更好的PPA，可以在更小的「辦公室」裡，塞下更多「員工」。

塞多少算夠？

做出14nm晶片，意味著要在每1平方毫米裡，塞下3千萬個電晶體。

做出7nm晶片，則意味著要在每1平方毫米裡，塞下近1億個電晶體。

翻倍的能幹。但也，翻倍的艱辛。

而這，僅僅只是「過萬重山」的一個開始。

因為，光塞得下還不夠，你怎麼才能在指甲蓋那麼點地方，把這成萬上億的員工，安排得明明白白？

光刻

沒錯，就是靠那個聽起來很貴的辦法：光刻。

靠光，怎麼刻？

這事，說複雜，可以很複雜。一台光刻設備，十萬多個零件，價格動輒上億美金還不包郵，算下來比一台波音737還貴。就只為能幹成這件事。

但說簡單，也很簡單。你看過電影嗎？

傳統的底片電影放映時，會先打出一束光，讓光線穿過一個像放大鏡一樣的鏡頭，再穿過一層電影膠卷，就能把膠卷上的圖案，投射到銀幕上。

光刻也類似。也是打出一束光，穿過一組透鏡系統，再穿過一層掩膜版，就能把掩膜版上刻著的電路圖，投射到製作晶片的襯底，也就是晶圓片上。

差別只在於，放電影，是用“放大鏡”，把小圖投成大圖。光刻，則是用“縮小鏡”，把大圖投成小圖。

用光的投射做槓桿，真聰明。

可是，到這一步，也只是清楚地描好了邊，知道接下來往哪裡下手。

但，要怎麼下手？

一張7nm晶片的電路圖，要把幾十上百億個電晶體和其它電子元件，都安排得明明白白。

而且，從電晶體，到連接電晶體的導線，都精細到了奈米級，比你家菜刀的刀刃還要細上10萬倍。

有行業裡的人曾形容：這就等於要在一個指甲蓋大小的地方，刻出整個上海。而且不能刻漏一間房，不能刻歪一條路。

太瘋狂了。這要怎麼刻？怎麼刻，才能「快、準、穩」地刻出這種電路圖的溝溝壑壑？靠雷射嗎？

一開始，也不是沒人試過。

可是，雷射直寫，奈米壓印……一個個方法試下來，有的很貴，有的很慢，還有的很容易報廢，很難商業化，誰這麼刻誰虧錢。

直到，有人發現了一個非常有想像的方法：

曲線救國。用光阻。

光阻

什麼是光阻？

光阻，是對光挺敏感的東西。

一旦被特定波長的光照到，就會發生化學反應。

本來很硬氣的，一照就慫了，變得能很輕易就被化學溶劑洗掉。

拿捏住這一點，光刻就有了全新的解題姿勢：

不靠一筆一筆地物理雕刻，而靠一層一層地化學腐蝕。

牽涉的工藝雖然很多，但思路大體上和「把大象關進冰箱」也差不多，主要就四步：

第一步，塗膠。往晶片的原料，也就是晶圓片上，均勻地塗上一層光阻。

第二步，打光。讓特定的光束，透過畫了電路圖的掩膜版。

有線條遮著的地方，光透不過去，光阻還是原本的脾氣。

沒線條遮著的地方，光透過去了，和光阻一照面，光阻就變成了另一種脾氣。

第三步，洗膠。把兩種脾氣的光阻所覆蓋的晶圓片，放進特定的化學溶液裡。

那些脾氣相對較軟的光阻，會被溶解，電路圖，也就在光阻層顯示出來了。

第四步：蝕刻。把晶圓片放進腐蝕液裡。

光阻仍沒被溶解的地方，相當於覆蓋了一層保護膜，而光阻被溶解了的地方，會直接接觸到腐蝕液，被「快、準、狠」地蝕刻出與電路圖相對應的溝溝壑壑。

光、掩版、光阻、晶圓片，再加上各種化學溶液。

原以為難於上青天的物理題，突然就變成了一道平平無奇的化學題，被攻克了。

這，就是現在主流的光刻方式：

先像放電影一樣，把電路圖投影到基板上；

再像洗照片一樣，把電路圖蝕刻到晶片上。

這樣看上去，光刻也不算難。

看上去不。

但這裡有一個關鍵難點，光的波長。

波長

要刻出奈米級精細的電路圖，至少，你手上的刀，也得夠精細吧。

怎麼獲得一把更精細的刀？

當你的刀是不鏽鋼做的時，你只要把刀刃磨鋒利就行。

但當你的刀是一束光，你什麼也磨不了時，怎麼辦？

從刀的材料源頭解決：波長越短的光，天生刀刃越鋒利。

因為波長越短的光，繞射的擴散角度越小，換句話說，就是越會乖乖走直線，不糊不亂跑，你指哪裡它打哪裡。

那還不簡單，打開光譜圖，直接找波長最短的那種光，用起來不就行了。

光譜圖（圖片來源:www.asml.com/en）

不簡單。因為，短波長的光，不是你想用就能用的。

你有沒有能力在成本可控的前提下，穩定且持續地發出它？你的光阻和它來不來反應？你的其它工藝流程能不能和它相容？

都是難題。都得摸索。

摸索到今天，能讓人效率穩定、成本可控地拿起的“光刀”，主要有2把：

DUV和EUV。

DUV，是一種光的名稱：Deep Ultra-Violet（深紫外光）。波長可以短到193nm。

很多人認為，用這把「光刀」的光刻設備，基本上只能刻出20nm以上製程的晶片。

EUV，也是一種光的名稱：Extreme Ultra-violet（極紫外光）。看名字就知道，這種光捲得更狠，波長可以短到只有13.5nm。

誰擁有了這把刀，誰就有機會再往前一步，刻出7nm，甚至，5nm，3nm這樣更先進的晶片。

太好了。那找短光波的問題不就解決了嗎？

要做7nm晶片，就去用EUV啊。

技術問題是解決了。但其他問題來了。

有人卡脖子。

卡脖子

目前，世界上能生產EUV光刻設備的公司，只有一家：荷蘭的ASML。

2018年，中國的中芯國際，拿出了相當於它全年利潤的1.2億歐元，向ASML訂購了中國第一台EUV光刻設備。

一筆大單。

ASML也很高興，連出口許可證，都準備好了。

但是，美國發聲了。聲稱EUV光刻設備中有20%的美國零件，想要出口必須徵求他們的同意。而他們不同意。

一紙禁令。

怎麼辦？用不了可以刻7nm晶片的EUV，就造不出7nm晶片了嗎？

能不能，用只能刻20nm以上晶片的DUV試試？

有希望。

有兩種技術，可以帶來希望：浸沒式微影，多重曝光。

浸沒式光刻

什麼是浸沒式光刻？

很簡單，翻譯一下，就是：泡到水裡刻。

已知：你那把「光刀」的波長，越短越好。

又已知：DUV的光波，最短只能短到193nm。

一個刻出更先進晶片的思路，就出現了：能不能把DUV的波長，變得更短？

能，加水。

在晶圓表面和透鏡之間，加上一層超純水，純淨到不含礦物質、顆粒、細菌、微生物等任何雜質，只有氫離子和氫氧根離子的超純水。

然後，讓光在水中發生折射。

193nm的深紫外光，在水中的折射率為1.44，波長可以進一步縮短到134nm。

“刀刃”，就這樣變得更鋒利了。

太聰明了。

這個方法，把DUV光刻設備，從「在空氣裡刻」的乾式時代，直接帶進了「在水中刻」的浸沒式時代。

但是，還不夠。

靠這個方法迭代“刀刃”，你有可能在你班裡提提名次，把製造水平從28nm過程提升到22nm過程，但要一口氣考上清華，搞定7nm過程，還是很難。

怎麼辦？

還可以再加上，另一個方法：多重曝光。

多重曝光

什麼是多重曝光？

也很簡單，翻譯一下，就是：多刻幾次。

舉個例子，梳頭。

問：怎麼才能把所有頭髮都梳到，梳得根根分明？

多梳幾下。

有沒有辦法，能高效一點，梳一次就全部梳到位？

難，但也不是不能有。可以去義烏。找老闆訂製新梳子。

一顆頭，有十幾萬根頭髮。要一次全部梳到位，那就造個至少也有十幾萬根梳齒的梳子。

但如果義烏的老闆聽完，說造不出來，或造出來也不能賣你呢？

那就先不追求什麼高效不高效了。還是多梳幾下，先保證能全部梳到位就好。

多重曝光，也是這樣。

如果一張“上海地圖”的線條間隔，太過細密，太難“刻”，那就多刻幾次。

把它拆分成線條間隔更疏朗的三個“圖層”，再做成三張“掩膜版”，一張一張“刻”。最後，不也能套疊成一整張完整的「上海地圖」？

頭髮，可以一遍一遍梳。電路圖，也可以一層一層刻。

所謂的LELE工藝，LFLE工藝，SAPD工藝，本質上都是多重曝光，多刻幾次的方法。

聰明。那要7nm晶片，多曝光幾次不就能搞定了？

理論上能。但實際上，這個辦法有極限。

首先，人家用一張掩膜版，曝光一次。你用三張掩膜版，曝光三次。誰在成本和效率上更有競爭力？

其次，要把全頭梳到位，至少得梳一次，動一下手，把梳子對準到另一個位置梳吧？

可是，一次一次梳時，怎麼保證每次換新位置時，都100%對得準？

一層一層地「刻」時，又怎麼保證最後幾張套疊在一起時，能100%完全吻合？

保證不了。總是會有誤差。

這個誤差值，就是「套刻」。

這次《目錄》裡被很多人劃重點的那個“≤8nm”，對應的，就是套刻的價值。

成本，效率，良率。

晶片的製造，不只一道技術題，還是一道經濟題。除了“能不能做”，也要兼顧“值不值得”。

用DUV光刻設備透過多重曝光製造7nm晶片，或許可以幫忙夠到高一點的地方，但也有代價和天花板。

所以今天，很多資料都認為，綜合考慮下來，就算加上浸沒式光刻和多重曝光，造7nm晶片也幾乎是DUV光刻設備的天花板了。

要繼續往前，製造7nm晶片，甚至更先進的5nm晶片，3nm晶片，還要靠EUV光刻設備。

太難了。要嘛買不到，要嘛劃不來。

那，有沒有一種可能，走「自強不息」的路線，靠自己造出一台EUV光刻機？

嗯，你很有勇氣。

EUV微影機

造出一台EUV光刻機，有多難？

一個朋友給我的答案是：

如果說「用DUV光刻機造出7nm晶片」的難度係數是「過萬重山」，那麼「造出一台EUV光刻機」的難度係數，就是「過萬重珠穆朗瑪峰」。

光刻機

為什麼？ EUV光刻機和DUV光刻機，一個字母之差，能有多大差別？

不都是發個光，投個影，再刻點溝壑嗎，還能有多難？

這麼說，也沒錯。那我們就照著這幾個關節，一關一關說。

第一關：“發個光”，能有多難？

DUV的光源，還只是準分子雷射，跟治療近視的雷射手術用的光差不多。

但是，EUV的光源，卻是地球上原本不存在的光。

不存在？那怎麼發？

現有的做法，是靠「毆打」一種金屬：錫，把人家打到發光。

這個不簡單但很粗暴的過程，大概分三步驟：

第一步，從半空中滴下來一顆液體的錫珠。

錫珠要小。小到直徑只有20微米，跟你的1個細胞差不多大。

第二步，用一束高能量激光，不斷轟擊滴下來的錫珠。

動作要快。同一個錫珠至少轟擊兩次，第一次打扁，第二次汽化。

打得它原子電離，發出很氣憤的輻射，發出你想要的那束光。

第三步，持續轟擊，持續發光。

手不能停。要保持每秒鐘至少連續轟擊50000次，才能保證它一直崩潰，一直電離，你一直有光，刻得很穩。

這些，你有能力做到嗎？能做到的話，你就可以進入下一關了。

第二關：“投個影”，有什麼了不起？

波長越短的光，有一個不靠譜的特點：很容易被吸收，還沒投到光阻那裡開始幹活，就已經散得差不多了。

怎麼辦？得靠「鏡子」。

目前的EUV光刻機裡，設了許多“鏡子”，也就是聚焦反射器，來確保EUV的光，能更少被半路吸收，更安全地到達光阻。

這些「鏡子」需要多平整呢？

用技術的話來說：面形精度峰谷值0.12奈米，表面粗糙度20皮米。

翻譯成國語來說：如果把這面「鏡子」放大到地球那麼大，它上面只允許有一根頭髮絲那麼細的凸起。

怪不得有人感慨說，這種“鏡子”，可能是宇宙中最光滑的人造物體了。

現在，就算你能造出這種鏡子，光刻也才剛開始。

第三關：“刻出溝溝壑”，又要越過幾重山？

怎麼才能在這麼極端的精準度下，刻出對應的溝溝壑壑？

除了一把極端鋒利的刀，你還需要有一個極端穩定的工作環境。

以ASML公司的無塵室為例，內部的空氣，需要比外部乾淨1萬倍。

要做到這一點，你至少需要一套每小時能淨化30萬立方公尺的空氣的通風設備。

除了空氣，工作環境裡用的水、光…都需要超潔淨，需要特別處理。

光刻機原理示意

「發個地球上不存在的光」。

「用人類最光滑的鏡子投射個影」。

「在連空氣都要乾淨1萬倍的環境裡刻點溝壑壑」。

這，就是要造出一台和別人現在用的差不多的EUV光刻機，至少要爬的幾座山峰。

天哪。深吸一口氣。

但，還是忍不住想看看，我們今天，爬到哪裡了？

未來

還記得，最開始那行介紹嗎？

現在，再看一遍，你是什麼感覺？

「此次官方宣布的國產光刻機，是一個套刻≤8nm，分辨率65nm，乾式，波長193nm，DUV光刻機。”

這意味著什麼？

“套刻≤8nm”，指的只是一個“梳頭”時的誤差，而不是“可以造出7nm晶片”的水平。

“解析度65nm”，意味著有機會能刻出65nm晶片，不計代價多重曝光的話，或許還能努力夠到28nm晶片。

“乾式”，意味著前方還有一座“浸沒式”的山要爬。

“波長193nm的DUV光刻機”，意味著前方還有一座“波長可以短到13.5nm的EUV光刻機”的珠穆朗瑪峰要翻。

怎麼還有那麼多山？我們什麼時候才能爬完？

什麼時候，我們才能真正造出7nm製程，乃至更先進，更能和世界水平比肩的國產光刻機，不再被卡脖子？

說法很多。或許，你也聽過一些。比如：

前幾年，有人說，不可能。 “就算把圖紙給他們，也不可能造出來光刻機。”

這幾天，有人說，還很遠。 “可能還要十幾年，因為世界當前最先進的ASML，走完這段路就是花了十幾年。”

但很快，也有人說，不好說。 “ASML花十幾年做出來的背後，有全球幾十個國家的合作，和國內外數千家供應商的配合。”

嗯，聽說過。可是，各有各的說法，那我要怎麼判斷？有沒有，來自更前線的說法？

今年的手機發表會上，華為沒有多說。但9月19日，華為副董事長、輪值董事長徐直軍在華為的另一場大會上，曾簡單說過2句：

1，“中國大陸的晶片製程製造將在很長一段時間處於落後，我們要做好長期的算力解決方案。”

2，「華為的策略是從可獲取的製造流程出發，進行系統性的創新與改進」。

那，國家工信部的《目錄》呢？說得更簡單。看標題：

《首台（套）重大技術設備推廣應用指導目錄（2024版）》。

什麼是「重大」？有突破，且很關鍵的。而很關鍵的，往往還會繼續突破。

什麼是「推廣」？很先進，且可量產的。而投入量產的工廠之外，往往還有更先進的實驗室。

那，實驗室之外呢？還有嗎？

前幾天，去墨西哥參訪，看見那裡有許多中國的新能源汽車在建廠；

再前幾天，刷到「華為」的熱搜，排在它下面的那一條是國產大飛機「C919」的量產和交付；

再之前呢？國家統計局公佈了2024年上半年國民經濟運行情況，其中，高技術產業投資年增10.6%，快於全部投資6.7個百分點……

創新，改進。繼續突破，繼續研究。更多拓展，更多投入。

7nm晶片的故事裡，從不只晶片，和算力，還有科技發展，和競爭博弈。

這是一個百年不遇的大變局。

在這個變局的風浪裡，總有人高喊：輕舟已過萬重山。

確實，從沒有7nm晶片，到擁有7nm晶片。從DUV，到EUV。從一份新文件，到一種新算力。

都很艱難，都有可能。

但是，山外還有山。

7nm的外面，還有5nm，3nm，甚至2nm，1nm…

晶片的外面，還有人工智慧，新能源，航空航天，海洋工程……

怎麼辦？

輕舟很少回答。它們只是繼續向前航行。

前進，前進。

祝福。

來源：文字/劉潤