如果想中国半导体行业好好发展，第一，行业需要正本清源；第二，不专业的自媒体都闭嘴。有感于胡说八道的自媒体太多，特写下此文。
光刻机，芯片制造设备业中价值最高，技术难度最大的核心设备，原本是不为人知的半导体专业设备。这几年，中国芯片产业短板暴露之后，引起吃瓜群众热议，于是围绕光刻机的话题出现了爆发式增长。
毫不客气的讲，除了少数几个半导体领域专业自媒体，绝大多数的自媒体写的关于光刻机文章都是不严谨，不专业的，甚至不少文章就是博人眼球的垃圾流量文章；可悲的是，往往专业人士写的文章，读者寥寥无几，而瞎扯的流量文章却容易被普通大众所看懂而广泛传阅，而误导更多的人。
比如这种
这些意淫文章多的数不清，根本就是胡说八道，但是就是有人看……
笔者从专业的角度出发，用通俗易懂的用词和配图，把关于光刻机的热点问题做一个梳理和解答，科普大众，也希望各位读者能转发一下，让更多的普通人了解光刻机，了解半导体。说句不中听的，本文的阅读量如果比不过那些流量文章，真的是最大的悲哀。
在讲解光刻机知识请，首先我们要知道以下这个商业逻辑和规则。
第一、半导体设备不能闭门造车，它需要和FAB厂紧密配合，双方共同合作开发完成，换句话说，一台新设备和设备和FAB共同智慧结晶。
第二、所谓紧密配合是指，FAB在研发新一代工艺，或者是改良一代工艺的时候，设备商包括耗材商，就应该开始和FAB合作，双方投入巨大的人力，物力，财力进行新设备的研发，新设备的研发成功，也就意味着新工艺也成功了。
目前来看，国内设备商和国内晶圆制造公司还没有这个实力进行这样的投入，玩不起这个游戏。这个领域还是看台积电和应材，LAM，以及ASML那些实力雄厚的大公司们玩这个新工艺。
第三、基于第二条前提，当Fab进行扩产的时候，直接是已经完成工艺验证的相关设备，材料，大规模复制一遍，买一模一样的设备和材料，这个时候是不可能再给其他设备商机会了。所以不要问，台积电扩产为什么不用国内设备这样的愚蠢问题，因为从开始到现在就根本没去介入过人家工艺的开发。
当然，中微除外，人家几年前就介入台积电3nm工艺的开发，等台积电扩产的时候理应收获大批订单。
氢弹和光刻机哪个更难造？
这个问题在曾在知乎上关于光刻机的话题中获得最高热度，氢弹和光刻机哪个更难造？
氢弹，人类现阶段的终极武器，其破坏力之大，威力之强，可以瞬间把一个城市夷为平地，但是迄今为止，拥有氢弹技术的国家只有“五大流……动武器贩卖商”。2015年，朝鲜宣布拥有氢弹，不过大伙都不信。
确实氢弹技术也是全世界最核心的机密之一，朝鲜能有这个能力早就不是朝鲜了。
氢弹为什么具有如此大的能量，原理连小学生都知道，一个氘原子和一个氚原子（都是氢的同位素）变成一个氦原子，释放一个中子，同时释放大约17.6MeV的巨大能量，这个过程叫核聚变反应。太阳之所以无时不刻在发光发热，源源不断的释放能量，其内部就是一个庞大的热核反应堆，从原理上来讲，氢弹和太阳是一样的。
氢弹这种核聚变反应属于第二代核武器，和第一代原子弹技术也就是核裂变反应相比，技术上要难很多。
氢弹技术有两个难点，第一，如何引发核聚变反应；第二，氢弹小型化。
如何引发核聚变反应？简单来讲，就是让两个原子核融合到一起，但是问题来了，原子层外围是有电子的，当两个原子靠足够近的时候，首先两个同为负电的电子表现出强烈的排斥力，这和磁铁的同性相斥类似，这种电子和电子之间的作用力，叫静电场力也叫库伦力，自然界三大原力之一。
作为自然界另一大原力的万有引力，在这样的微观世界里，作用力远远小于库伦斥力，基本可以忽略不计。
两个原子核还没有靠近，就被外围电子的库伦斥力所推开，哪怎么样解决外围电子的库伦斥力呢？答案是：在极高温情况下，让原子核外围电子等离子化并剥离，这样内部的氘/氚原子核获得足够动能；在极大的压强下，使得两个原子核离的足够近，这种情况下才有可能突破库仑斥力，在极高温高压下氘/氚原子核融合到一起，变成氦元素，这是核聚变过程。
在太阳内部在那里有极高的温度（一亿度）和极大的压强（2500亿个大气压），使得太阳能源源不断的进行热核反应从而发光发热。在地球上的我们的如何实现太阳内部那种极高温极高压的极端条件呢？科学家想到的方案是利用核裂变的能量，比如先让铀235发生核裂变反应引发瞬间高温高压，然后再点燃热核聚变反应，从而引爆氢弹，这就是目前氢弹的基本原理。
所以要掌握氢弹的技术前提是先掌握第一代核裂变技术。这就是为什么包括美国，前苏联，中国，法国，英国在内的“五大流动武器贩卖商”，能在掌握第一代原子弹技术之后，在几年后掌握氢弹技术的原因，而中国用时最短，仅用两年零八个月。
第一代核武器的主要裂变物质包括铀235，钚239，铀233这三种。后两种钚239和铀233都是通过核反应堆再改造实现的，但是核反应堆的原料又是铀235，所以无论怎么折腾，都离不开最基础的原料—铀235。
如果是制造反应堆仅需3%左右的纯度，如果作为航母等战舰燃料需要20%的纯度，如果作为核武器需要90%以上的纯度，所以获得高纯度的铀235是制造第一代核武器的关键。所以鹰酱每次拍美式英雄主义拯救世界的大片，起因多半是恐怖分子从前苏联废弃的工厂里，搞来高纯度的核武器原料，次次把毛熊黑出翔……
铀235是铀238的同位素，在自然界极少，只占铀元素总量的0.7%。而且它们的化学性质几乎没有差别，质量差也只差1.3%，所以想要把铀235从铀238中分离出来极其困难。主要方法包括气体扩撒法和离心法等，两种方法都可以得到纯度较高的铀235。
相对而言离心法，成本比而气体扩散法低不少，只要机器数量多，一年就能生产不出少高纯度的浓缩铀，算是比较理想的量产浓缩铀235的方案。但是高速离心机的有需要高精度机床来加工其核心部件，现在大家明白，为什么当年日本东芝偷偷卖给前苏联4台高精度机床，引发美国暴怒了吧。
30多年前，东芝机械高管在前苏联的诱惑下，偷偷卖给前苏联一些高精度机床，结果被美国发现，日本东芝机械公司铸造部部长林隆二，机床事业部部长谷村弘明被现场带走，东芝集团被严厉制裁，西方阵营共同指责日本。
有了高精度机床，前苏联的潜艇精度就上升了一个档次，噪音降低了一大截，美国苦心研究的声呐反潜技术化为泡影。有个高精度机床，还有办法加工高精度转子等离心机部件，作为“工业制造之母”的高精度机床，也是中国人曾经的痛。
当年伊朗在偷偷搞核武器的时候，核心的离心机厂以色列来炸过，后面还莫名其妙的被感染过计算机病毒，烧毁了不少离心机，就是为了阻止伊朗获得高纯度的武器级铀235，阻止它拥核。
有了高纯度的铀235，就迈出了制造核武器的关键一步，目前只有“五大流动武器贩卖是”才能合法拥有核武器，其他国家都不行，所以各位明白现在新闻上说朝鲜又开始搞浓缩铀后遭到国际社会强烈谴责和制裁的原因了吧。
有了高纯度的浓缩铀235还不算完，那只是一级引爆材料，要引爆氢弹最难点是，如何瞬间引发高温高压，把2个氘氚原子核压缩到库伦斥力的临界距离1*10^-15米以内，引发核聚变反应。目前就是采取的是先引爆一颗铀235的原子弹，利用原子弹引爆的巨大能量集中压缩氕氘原子，压到临界距离，产生氢弹爆炸，这就是泰勒和乌拉姆在70多年前提出的氢弹原理构想。
第二步是小型化。美国和前苏联引爆的第一颗氢弹，都几十吨重，不具有实战价值。如果要真正作为武器而使用，小型化是必须解决的问题。
于是氢弹小型化过程中，有两个方案，也就是氢弹构型问题，一个是T-U构型，另一个就是于敏型。
在这点，感谢老天爷给中国开了一个外挂，降下了一个不出世的天才，中国氢弹之父-于敏。
中国作为第五个掌握原子弹国家，但是赶在法国前，仅用两年零八个月成功引爆氢弹，成为第四个掌握氢弹技术的国家，于老功不可没。而且你要知道，当年中国几乎是一穷二白的情况下造出氢弹的！是在没有超级计算机辅助计算情况下，是于老和其他科研人员，靠手工和尺卡表，手算的核爆模拟数据！真的是惊为天人！
这份独特的历史记忆属于全中国人民，老一辈科学家的奋斗精神，献身精神我们依然会传承下去。
裂变后会爆发出巨大的能量，会引发冲击波，要确保核裂变后高能X射线/伽马射线能赶在爆炸的冲击波达到之前，通过增幅镜，聚焦装有核聚变燃料氘化锂-6的次级结构，聚能并引爆次级结构。因此反应过程需要精确到皮秒，其难度之高，技术之复杂，超过所有人的想象。
事实上，网络上所有的关于氢弹技术细节都是猜测，作为世界最高机密之一，根本不会被公开。
至于于敏型是如何实现小型化，也是被严守秘密。
所以说氢弹是这个世界上最难的技术，真不是开玩笑的。总之解决一大堆从理论到核聚变，实在太难了，所以真正掌握氢弹技术的只有“五大流动武器贩卖商”。
那么光刻机呢？
从原理上而言，光刻机已经从早期的极其简陋的设备，变成目前集合精密光学，激光、流体物理、电磁、精密控制、机械加工、电子信息、电子电路、化学在内的等几十个学科的尖端技术于一体，是目前最精密最昂贵的工业设备，ASML高端型号的光刻机售价甚至超过1亿美金，堪比一架飞机。
早期，英语单词中没有光刻机这个单词，早期光刻机叫Mask Aligner 意思为掩膜对准曝光，现在多用lithography这个词代称光刻机和光刻工艺，有时候工艺工程师们偷懒就简化为 “litho”。
真正要称呼光刻机这个设备，一般工程师们习惯用光刻机的特性的单词。比如曝光式Aligner，接触式contact ，步进式stepper，扫描式sacnner，以及现在的浸没式Immersion，来称呼各类型的光刻机，这种好处是一看就知道你说的是具体什么型号的光刻机，坏处是外行人一脸懵逼。
显然，光刻机是半导体核心设备，光刻工艺很大程度上也决定了芯片的最小特征尺寸，也就是普通人所以理解的14nm，7nm工艺。历史上，光刻机的诞生和进步和集成电路图形化工艺的诞生和技术提高有着密切的关系，这里不得不提一个重要的人物——赫尔尼。
集成电路平面工艺之父——天才少年赫尔尼（Jean Hoerni）
硅谷历史上有著名的“八叛徒”，赫尔尼也是其中之一，他也是仙童的创始人之一。此外他还和“八叛徒”中的Jay Last和Sheldon Roberts 一起与1961年创立了， Amelco公司，也就是现在Teledyne公司的前身。1967年他还创办了Intersil，一家首屈一指的模拟电路公司，2017年这家公司被日本瑞萨收购，名副其实的硅谷传奇人物。
1958年9月12日，基尔比研制出世界上第一块集成电路，成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想，并通过了德州仪器公司高层管理人员的检查。这一天开始，集成电路取代了单个晶体管，为开发电子产品的各种功能铺平了道路，并且大幅度降低了成本，使微处理器的出现成为了可能，开创了电子技术历史的新纪元。
2000年基尔比因为发明集成电路而获得当年的诺贝尔物理学奖。
不过当年基尔比使用的是锗元素，而集成电路另一位发明人，“八叛徒之一”的诺伊斯选了硅，双方就谁才是“集成电路发明人”，打了将近十年官司，互相不服，最后判决基尔比获得发明人头衔，而诺伊斯成为集成电路工艺专利的发明持有者。
事实上，诺伊斯的技术才是现在bulk CMOS 工艺的真正的祖师爷，不过基尔比也在锗基扩撒工艺上做出巨大贡献，而诺伊斯也是在赫尔尼的发明上再改进。
1959年，赫尔尼发明了一种平面工艺，一种叫做光学蚀刻的处理方法，这种方法有些类似于利用底片冲洗照片的过程。开始，他用的是一片锗。然后他在上面喷洒上一层叫做光阻剂的物质。如果你把光照在上面，光阻剂就会变得坚硬，然后就可以用一种特殊的化学药品清除掉没有被光照射到的光阻剂。所以，赫尔尼就创造了一个光罩，它就像一张底片，上面有一簇小孔，用来过滤掉不清洁的东西，然后让它在光线中翻动。在化学洗涤之后，金属板上只要是留下光阻剂的地方，杂质就不会散落到下面。
赫尔尼跟诺伊斯开会的时候，提交了这个工艺的最新版本，会后几天，诺伊斯就记下了自己对平面集成电路的想法。这个工艺成为了1962年颁发的专利3025589《制造半导体器件的方法》的基础。
这项技术的发明使得半导体生产发生了革命性的变化，掩膜板上的图案能被大规模复制到每一片硅片表面，集成电路能够高效率，标准化，并低成本的被制造出来。所以这项技术堪称为“20世纪意义最重大的成就之一”，也是现在“摩尔定律”的祖师爷。
现在的超大规模集成电路工艺和赫尔尼当年的发明原理基本一致，只是技术先进了很多，晶体管的特征尺寸也变的更小了。
从易到难的光刻机
其实光刻机也是一步步发展过来，从早期非常简陋粗糙的设备到现在世界上最复杂，技术含量最高，精度最高的设备。
有人曾经比喻光刻机的精度是：“在两架高速飞行飞机上，其中一个人拿出一把刀，在另外一架飞机米粒大小的面积上刻字，还不出错”，难度可见一斑。人类花了几十年时间不断探索和突破技术上的难点，最终变成现在这台神话一样的光刻机。
早期光刻技术并不是特别难的东西，毕竟那时需要光刻的线宽，是几微米。所以光刻机也非常简陋，甚至当年英特尔直接把16毫米摄像机镜头拆了装上就用。只有GCA，K&S和Kasper等很少几家公司有做过一点点相关设备，那会儿光刻机压根算不上高科技设备，并不比照相机复杂多少。
但是随着晶体管数量不断翻倍增加，曝光精度迅速从几微米到零点几微米以内，于是这些简陋的光刻机难以满足需求，问题越来越多。
除了曝光精度之外，还有套刻精度（Overlay）的问题。晶体管多了之后，互联就增加了很多，需要多层金属连接，金属层需要介质层上堆叠，需要不同的曝光的图形在介质层上布线，需要不同的光罩反复曝光，于是重复对准精度就成了一个大问题，就像盖楼一样，每一层必须上下对齐，不能盖着盖着盖斜了吧。在集成电路工艺里这个精度要求异常精确，都是纳米级……
如何保证十个甚至更多个掩膜版精准地套刻在一起？Kasper仪器公司首先推出了接触式对齐机台并领先了几年，Cobilt公司做出了自动生产线，但接触式机台后来被接近式机台所淘汰，因为掩膜和光刻胶多次碰到一起太容易污染了。
当年ASML还叫Natlab的时候，就开始积累高精度的对准技术。时至今日，到现在ASML的先进光刻机的Overlay(套刻精度)能做到1.6-2.5nm！甚至N7工艺，也就是7nm工艺，满足Overlay小于1.5nm！
接着就是波长问题。
由于“摩尔定律”不段追求每18个月单位面积内晶体管数量增加一倍，所以晶体管尺寸在不断微缩。
要想写更细更小的字，你需要更细更小的笔尖；同样你要做更小的晶体管，你需要更小的曝光技术。于是光刻技术就需要每两年把曝光关键尺寸(CD)降低30%-50%。根据瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我们能做的就是降低波长λ，提高镜头的数值孔径NA，降低综合因素k1。
因为光具有波粒二象性，波长越短粒子性越强，波性越弱，用更短的波长能有效避免波的衍射现象，确保光刻精度和成影效果。
准确的说，光刻机在发展过程中，就是不断追求更短波长的过程，辅以高精度的对准技术，确保曝光精度和套刻精度越来越高。
于是光刻机光源波长越来越短，从i-line 365nm，到KrF 248nm，一直到ArK 193nm停滞了下来，足足卡了20年。
大家不要觉得只是换一个波长而已，因为物镜需要把掩膜板的图案精确地投影到硅片上，所以物镜系统，复杂到普通人无法想象。
整个投影的物镜系统，首先要建立光路模型，需要大量的理论公式计算和论证，同时还需要物镜系统供应商不断技术升级，不断缩小镜片的整体误差，确保投影效果和理论计算一致。
大家可以想象一下，这几十片镜片组成的物镜系统，能复杂到到什么程度，而且对镜片要求非常高，任何一片镜片的任何瑕疵都会引起最终极大的误差，严重影响投影效果！
曾经ASML的镜头供应商是法国的CERCO，后面这家公司因为不稳定的镜片质量，导致ASML放弃，最终选择和德国蔡司合作。
在193nm往下走的过程中，遇到很大难题，尼康费尽心血搞出了157nm F2激光光刻机，但是系统过于复杂，使用环境要求太高，而且投影效果不佳，最终被抛弃。
这个时候还属于小弟弟的ASML与台积电鬼才工程林本坚合作，开发出193nm浸没式光刻机，其实原理很简单在硅片上加入1mm厚的水，改变了折射系数，193nm光源经过水的折射后变成134nm，成功翻越157nm大关。这一把不仅把垄断几十年的尼康踢下神坛，更是奠定日后ASML光刻机领域的霸主地位，直至今日ASML占据了超过90%的高端光刻机市场份额，一年营收超140亿美金，市值1700多亿美金。
当然浸没式系统并不是把wafer泡在水里这么简单，除了要求水的纯度之外，这里牵涉到最复杂的流体运动原理，难，实在太难了，笔者有幸去参观过国内同类企业，感叹科技工作者的伟大。
193nm浸没式光刻机目前最新锐的型号是ASML在2018年推出的NXT 1980Di，对，就是闹的沸沸扬扬的武汉弘芯那台被抵押的号称“7nm”的光刻机，其实国内远不止一台1980，只是武汉这台太出名了而已。
请原谅笔者的贫乏的语文水平，我实在找不到确切的词来形容光刻机内部复杂和精密程度，只能用一句话来概括：人类科技水平的集大成。
回到主题，那么， 到底氢弹和光刻机谁更难造？
其实，这两个东西都不适合放一起比较。
氢弹是尖端武器，光刻机是商业化设备。光刻机和氢弹最大的区别是，氢弹可以不计成本， 搞出来就行，甚至在很长的时间内，也没有太多的技术更新和迭代，所以近几十年来，几个核大国再也没有进行相关的核试验，氢弹对国家而言是一个战略威慑作用，有就行了。
但是光刻机不行，必须不断升级技术保持竞争力，同时不断满足客户的新需求，所以几乎每年都有新型号产品推出。193nm浸没式的光刻机现在最新型号是NXT 1980Di，后面还有NXT2050i等。EUV光刻机也从 最初的NXE 3100、到NXE 3300、NXE 3400B、NXE 3400C，之后马上要推出NXE 3500型了，未来还有EXE 5000型。
换句话说，光刻机行业是一个充满竞争的商业领域，必须不断拿出更富有竞争力的产品，不断进行技术突破和更新升级。一旦一步被竞争对手拉开差距，就变成步步追不上，差距会越拉越大，久而久之，这个行业内其他公司就活不下去，只剩老大，当年GCA，也好尼康也好，都曾经是不可一世的光刻机霸主，但是在技术升级和需求变化之际都没能把握机会，从而导致被竞争对手超越，最终沦为边角料。
所以，光刻机造出来是一会事，造出来好用是一会事，造出来好用且符合客户要求，能让客户主动下单让公司赚钱又是另外一会事。仅从造出来的角度而言，中国是有能力做到的， 但是产品竞争力不及竞争对手话，是卖不出去的，卖不出去的产品，不符合客户需求的光刻机等于没有。并不能因为国产光刻机顶着“国产”两个字，就必须要让国内各大晶圆工厂买单，晶圆工厂也必须对自己的投片客户负责，良率不高，效率不行，谁敢用？
光刻机是一个市场竞争行为，要凭实力让客户买单，这才算真正造出来。
氢弹和光刻机都很难，硬要放一起比较，现代版关公战秦琼罢了。至于为什么当年一穷二白的新中国能在举国体制下突破重重封锁能搞定氢弹，而这种逻辑不适用于当下造光刻机？请关注下一篇。
