在通讯和网络相关领域中，芯片起着至关重要的作用。由于众所周知的原因，大众对于芯片制造行业越来越关注。我们常说的芯片也就是集成电路，是指通过一系列特定平面制造工艺将各种元器件“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，这种复杂的电子系统能执行特定功能。而纵观整个芯片制造流程，其中最复杂也是最前沿的莫过于光刻机。
2018年，中微半导体成功研制7nm的刻蚀机，这是国产造芯的一大进步。这些数字指的是什么？为什么我们需要所谓的7nm的光刻机呢？芯片界有一个著名的定律——摩尔定律，即集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每24个月增加一倍，当然对应的理论性能也能增加一倍。但如何在同样尺寸的芯片上增加晶体管数量呢？当然就是把晶体管做小，提高晶体管密度。
光刻的原理非常简单，和胶片相机的原理很相似。
光线通过刻有电路图案的板子（我们可以叫他掩模版），硅片上的光刻胶曝光，曝光后的光刻胶会发生性质变化，从而将掩模版上的图案复制到硅片上。原理简单，难的是如何实现更精确的光刻。光刻机种类主要分为三种。第一种是接近接触式光刻，这也是结构最简单的光刻机。将掩模版与被刻基片尽可能接近，然后紫外光会对光刻胶进行曝光。它最大的问题在于：如果要制造芯片，就必须制作同等精细度的掩模版。
此外掩模版可能与光刻胶直接接触，可能对芯片造成污染。因此这种光刻机只能达到微米级。
第二种是直写光刻，直写光刻就像是打印，直接用强激光束将所需电路一点点刻出来，听到这里你可能已经发现了它的缺点，太慢了。纳米级的激光束在芯片上刻出电路的效率太低，不适于工业化制造。第三种是目前芯片最主要的光刻方式，也是本文主要介绍的光刻方式——光学投影式光刻，它也是目前能实现的精度与效率最好的光刻手段。
如何实现更精确的光刻呢？这就需要在光学设计上实现更大的分辨率。提高分辨率不仅要在理想情况，追求衍射极限；还要面对实际，尽量减小像差。如果我们在物体上取两个相近的点，经过系统成像后平面上有两个光斑，如果两个点距离逐渐靠近，两个光斑将逐渐变成一个光斑，这时我们就无法区分一个点成的像还是两个点成的像了，这就是分辨率不足的体现。
要区分成像的究竟是一个点还是两个点是需要一个准确的边界值，这就引入了瑞利判据。瑞利判据就是当两个物体间距小于时，成像系统所成的像将无法分辨这两个点，而是把它们当作一个点，这个边界也称为衍射极限。如果光刻中超过衍射极限，则刻蚀出的芯片就不那么精准了，自然无法实现设计的功能。因此，科学家就努力在衍射极限的边缘反复试探。
光源的波长越小分辨率越高，但是制造光源的难度也越高。一开始人们只能用汞灯发出的365nm波长光源进行光刻，能达到的极限尺寸只有250nm左右。随着技术的发展，光刻使用了波长193nm的深紫外光（DUV），只有用ArF准分子才能够被激发的深紫外光。但是，氩（Ar）是典型的惰性气体，与几乎所有物质都不发生反应，只有氧化性最强的氟（F）元素才能勉强与它变为这种不稳定的分子，难度可想而知。
目前最顶尖的光刻机的光源波长达到13.5nm，被称为极紫外光（EUV）。想激发出极致波长的光源，自然需要极致的办法。光刻机采用的方法是激光等离子体型光源，即利用高功率的激光击打金属锡，产生高温高密度的等离子体，辐射出极紫外光。其实这种方法很久之前就被证实，但是起初用的是锡板，而且只用激光激发一次，产生的光源强度很低，无法作为光刻的光源。
经过十几年的研究，科学家诞生了一个天才的设想，锡板不行那用熔化的锡，一次不行，就打两次。
光学设计难题二：精确成像。在现实中，除了要尽力追求衍射的极限，还要严格控制像差。像差可以理解为理想的成像与实际成像的差距。控制像差一般需要很多透镜共同作用，例如一个单反镜头有五到七枚透镜共同成像。那光刻机需要多少枚镜头呢，答案是29枚。
近60个光学表面，最大直径达到80厘米，500kg的重量，组成了DUV光刻机的投影物镜。并且每一枚镜头的平整度非常高，如果将镜头放大到中国东西距离那么大的直径，加工产生的高低起伏误差比乒乓球直径还要小。所有的镜头都只是为了尽可能完美地成像，将掩模版精确地复刻在芯片上。
EUV光刻机难度更高了。极紫外线又称为软x射线，听名字就知道，它的穿透性也很强，因此DUV所用的透射式系统无法使它偏折。对于这么难搞的光源，我们只能使用全反射的投影系统。此外波长越短的光，越容易被吸收。几乎任何物质对于EUV都是强吸收，甚至空气都能吸收它的能量，因而整个光刻间都要处于真空状态，以尽量减少光能的损耗。
EUV所需要用到的镜子是具有极高精度的钼/硅反射镜。反射镜需要多精准呢？首先它不仅需要提高对EUV的反射，还能吸收杂光。因此它上面镀了四十层膜，主要是钼和硅的交替纳米层制作的。其次是平整度，它的表面需要几乎完美的光滑与干净，每个原子都要在正确的位置，比DUV更离谱，如果将反射镜放大到地球这么大，那它上面只能有一根头发丝直径的小凸起。别忘了这还是镀数十层膜后的光滑度，意味着每一层膜都要更加平整。
这一切问题都需要系统中任一部分完美配合才能达到，因此EUV光刻机要比你想像的大——大约一辆公共汽车那么大。整个机器包含10万个部件和2公里长的电缆。每台机器发货需要40个集装箱、3架货机或者20辆卡车——卖家是不可能包邮的。而且，要制造芯片仅有一台光刻机可不够，它的工作环境非常挑剔。首先光刻需要的房间全部为纯净的黄光，因为短波长的光会造成光刻胶变性，无法实现功能。
因此黄光对于光刻，就像暗房对于胶片一样。此外，光刻所需的无尘环境要求每立方米的空气中不能有超过10个颗粒，并且颗粒大小小于0.5微米，每小时要净化30万立方米的空气。厂房对地基要求也很严格，不能有任何微小的振动，因而某种意义上讲厂房需要类似“悬浮”。光刻需要的电能也达到非常恐怖的量级，一台EUV工作24小时，耗电量达到3万度。
于是你现在知道了，为什么我们拥有了7nm的刻蚀能力，也不等于能够制造7nm的芯片。毫不夸张的说，光刻机是在挑战人类文明的极限，是人类工艺的巅峰之作。现在让我们思考一个问题，国产光刻机及自研芯片的前路在哪里呢？根据前面的科普，大家或许能了解制造光刻机的难度。光刻机目前不是任何一家公司或者国家能够独立研发的，ASML的全球供应商达到了五千家，遍布世界各地。
由于《瓦森纳协定》，美国限制对于中国的光刻机出口，中国只能进行自主研发的道路，这将是一条充满荆棘的道路。但是正如钱学森先生所说：外国人能搞，我们中国人就不能搞？原子弹如此，光刻机也如此。甚至连ASML总裁皮特韦尼克都说：只要15年，中国就可以自主生产，届时ASML将失去所有的中国市场。制造光刻机的重任肩负在年轻人身上，我们要不辜负上一代人的期盼，大众也要对国产芯片产业的未来充满信心。