制造芯片的光刻机为何这么昂贵？

从石英石到晶圆：芯片原材料的准备

首先将石英石打碎研磨在加热，做成重达200公斤的单晶体棒，然后切成厚度不足一毫米的硅片，在打磨光滑，表面精细度达到0.1纳米，就形成了芯片的原材料-晶圆，把25个晶圆打成一个包放到天车里，运进晶圆厂加工，每个晶圆能制造230个芯片，每一个芯片只有指甲盖那么大，制造需要上千个步骤，其中最主要的部分是在光刻机里进行的，光刻机相当于两个公交车摞起来那么大，里面有很多精密仪器。

精密的光刻机

首先工程师会把设计好的精密线路图，也就是每一层的晶体管结构，然后线路图印在光掩膜上，这些线路的粗细，不到头发丝的万分之一，线路越精细，晶体管就做的越小，同一块芯片上能放的晶体管就越多，芯片的性能就越强大，曾经芯片制造商用激光来雕刻线路，但逐渐对精细度要求越来越高，雕刻需要的波长越来越短，现在得用极紫外光，也就是EUV来雕刻，这种光自然界不存在，要自己制造。

极紫外光的制造与运用

首先在真空腔里发射激光束，强度比用来切割金属的还高15倍，然后滴下高温熔化的金属锡液滴，用激光打在液滴上，液滴瞬间汽化变成等离子体，同时放射出极紫外光，趁这时收集这束光，并反射到晶圆上面，就能加工出芯片上的电路，难度相当于宇航员站在月球上放出一束激光束，精准打中地球上一个人的手指，这个难度可想而知，而且极紫外光非常容易被吸收，所以不能用玻璃透镜控制它的方向，而要用特殊材料的反射镜，光刻机里还需要保持真空状态，因为空气也会吸收极紫外光。

光刻机的精准控制与反射系统

为了让极紫外光精准照射在晶圆上，光刻机内部使用了一套极其复杂的反射系统。由于这种光几乎无法穿透任何物质，包括空气和玻璃，所以传统透镜无法使用，工程师们只能用精密设计的多层反射镜来引导光线。这些反射镜的表面光滑度要达到原子级别，误差不能超过几个埃（1埃是千万分之一毫米）。整个系统的对准精度高到什么程度？就像从地球上用激光打中月球上一枚硬币，这个难度可想而知。

光刻完成后，晶圆还要经过多重加工步骤，包括蚀刻、离子注入、薄膜沉积、化学机械抛光等。每一步都必须在极度洁净的环境中进行。工厂的洁净室比手术室还干净上万倍，一立方米空气中不能有超过10个0.1微米以上的尘埃颗粒，因为哪怕一粒灰尘落在晶圆上，都可能导致整个芯片失效。

图片来源：ASML官网

芯片的多层结构

更别说每一个芯片上都需要上百层线路结构，每一层都要与前一层精准对齐，对准误差不能超过几纳米。想象一下，在一根头发丝宽度里，精确地叠加几百层图案，每一层还必须完美契合，容不得丝毫偏差。

纯度检测

制造过程中使用的材料同样精益求精。比如光刻胶、蚀刻液、掺杂气体等化学品，其纯度往往要达到99.999999%（俗称“8个9”），一丁点杂质就可能导致整个批次的芯片全部报废。而为了检测这些微小缺陷，工厂里还布满了各种昂贵的检测设备，有的甚至能检测出比病毒还小的结构缺陷。最终，一块晶圆要经历上千道工序，历时两到三个月，才有可能产出几百颗合格芯片。而其中任何一个环节的失误，都可能让这几个月的努力前功尽弃。所以就有了 IC 封测是对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。

总结

所以，芯片制造从来不是“造一个小东西”，而是一个融合了物理、化学、材料、光学、机械、软件、热力学等众多领域的系统工程。这就是为什么一台光刻机卖得昂贵，而芯片之所以贵，不是因为它小，而是因为它太难。

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