5月15日，中國科技行業迎來噩耗，美國對中國半導體領域最尖端企業華為的制裁終於來到最後階段。
在將華為納入商品管制目錄剛剛1週年之時，美國商務部加大了對其技術封鎖的力度，而且一次就使出了全力——從之前含有25%美國技術和組件的產品禁止出口，跳過了10%的階段，直接宣佈，只要使用美國技術和設備的廠商，想要向華為提供產品時，都要向美國商務部申請。
考慮到美國在半導體領域的技術積累，這基本上等於切斷了華為從外界獲得芯片技術和產品支持的可能。
在科技行業的全球領先地位、每年巨量的研發投入和長期被美國針對，使得在許多人眼中，華為已經成了中國科技領域的標杆。而它被美國封殺，再次引發了國內民眾對於中國高科技行業發展得探討和反思。
作為科技領域最尖端的產業之一，中國的芯片產業有哪些弱點和“命門”?
事到如今，大多數人對這個問題都有一定的認識，其中最受關注的無疑是光刻機。經過多年討論，大家對“光刻機”“阿斯麥”“ASML”乃至對中國禁運光刻機的《瓦森納協定》這些詞都已經很熟悉了。
不過到目前為止，很多人其實並不十分了解相關領域的內容，只有一個大體的“落後”印象。那麼，中國在這方面到底有多落後?又有哪些關鍵技術需要突破?
複雜流程
首先要介紹一下芯片製造的流程。整個芯片產業鏈基本上可以分成4大塊:最上游是芯片設計和晶圓製造，中游的芯片製造廠拿到設計圖後，在晶圓片上刻出芯片，然後送往下游的封測廠進行封裝和測試。
目前在芯片設計領域，海思已經在今年一季度超越聯發科，成為全球第4、亞洲第1的IC設計企業;在晶圓製造領域，我國晶圓雖無法滿足需求，但已有大量的8寸晶圓產線投產，12寸晶圓產線也在快速建設中;在芯片封測方面，國內封測企業全球市佔率已達到20%，技術上也處於第一梯隊。
我國芯片產業落後的地方集中在芯片製造環節。
光刻是將掩模版上的圖形轉移到塗有光致抗蝕劑(或稱光刻膠)的硅片上，通過一系列生產步驟將硅片表面薄膜的特定部分除去的一種圖形轉移技術。光刻機則是完成這一工作的機器。
其主要過程為:首先紫外光通過掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區域的光刻膠發生化學反應;再通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域的光刻膠(前者稱正性光刻膠，後者稱負性光刻膠)，使掩膜版上的圖形被複制到光刻膠薄膜上;最後利用刻蝕技術將圖形轉移到基片上。
有一件事需要注意——雖然光刻機頻繁出現在各種科技新聞頭條中，但是它並非芯片製造的全部。總體來看，整個芯片製造流程要經過清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等多個環節，光刻只是其中一部分。
與之對應，整個流程需要的高端機械也是多種多樣，包括光刻機、刻蝕機、離子注入機、晶圓劃片機、晶片減薄機等等。
之所以國內對光刻機宣傳得最多，一方面是因為光刻確實是整個芯片製造環節中非常重要的流程，另一方面可能是因為全世界能生產頂級光刻機的只有1家企業，容易被卡脖子。
芯片製造的詳細步驟如下:
1、清潔和準備。先用化學溶液除去晶片表面的有機或無機污染物，然後將晶片加熱烘乾，塗上粘合促進劑，讓後續光刻膠更好地粘附在硅片上。
2、光刻膠旋塗。將光刻膠塗在硅片中心，然後高速旋轉硅片，用離心力讓其均勻覆蓋在硅片表面，並且揮發掉一部分溶劑，隨後將旋塗好的硅片進行預烘烤，再除去部分溶劑。
3、去除邊緣光刻膠。光刻膠塗覆後，在硅片邊緣的正反兩面都會有光刻膠的堆積，會影響成品，要使用化學溶劑或曝光的方法將之去除。
4、對準。由於硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認硅片的座標系，再通過激光自動對準。
5、曝光。將覆蓋着光刻膠的硅片暴露在通過掩膜版照射過來強光下，使被照射到的光刻膠發生化學反應。
6、後烘。加熱烘烤，減少入射光的破壞性和建設性干涉圖樣所引起的駐波現象。
7、顯影。
8、硬烘。加熱一段時間，完全蒸發掉光刻膠裏面的溶劑，提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護下表面的能力。
9、蝕刻。用液體(濕法刻蝕)或等離子體(幹法刻蝕)，去除掉不受光刻膠保護區域中的最上層硅片。
10、去除光刻膠。使用化學剝離劑將光刻膠從硅片表明剝離，或者用等離子體將其除去，後一種方法也叫灰化。
其中，從2到8的步驟都屬於光刻工序。此外，上述步驟只是最基本的芯片製造步驟，在如FinFET等新架構發現後，芯片製造又多了許多離子注入等步驟。
可能會有人覺得光刻的原理很複雜，實際上很簡單。
首先要準備一張晶圓，也就是硅片，然後將光致抗蝕劑(又名光刻膠)塗在上面。這種光刻膠，你可以簡單把它理解為老式相機裏的膠捲，平日裏是黑色的，一旦見光就會發生化學反應變白。你想要什麼圖案，就用什麼圖案的光源打上去。
那麼，怎麼保證打在“膠片”上的是自己想要的準確圖案呢?這裏的原理就如同老式皮影戲——用紙剪裁出兔子的輪廓，再擋在光源前，幕布上就會投影出兔子的形狀。
剪法分成2種，一種是將不要的地方裁掉，這樣投影出來被遮擋的部分就是需要的形狀;另一種相反，將需要的地方裁掉留空，這樣投影出來未被遮擋的部分就是需要的形狀。
用來遮擋光源的“剪紙”就是上文提到的掩膜版，也叫“光罩”，業內交流時也會直接用英文“mask”。而2種裁剪方法則對應正性/負性光刻。
在用這種方法將需要的圖案投映到光刻膠後，用顯影液將不需要的部分溶解掉，這樣，需要的部分就留在了硅片上，接下來就可以使用刻蝕機在硅片上刻出形狀，或者使用新材料，將所需的圖案沉積在光刻膠下面的硅片上。
那麼，這項技術關鍵點在哪裏?是硅片?是光刻膠?是掩膜版?還是顯影液?
答案是:都不是。
光刻光刻，顧名思義，重點在“光”。
光的藝術
決定芯片整體性能的是晶體管密度。同樣面積的芯片，放進的晶體管越多，基本上性能就越強。與晶體管密度對應的是晶體管的寬度，也叫線寬，晶體管線寬越小，密度就越大。
我們平時聽到的“7nm工藝”、“5nm工藝”等詞語，實際上就是指的相應光刻工藝能加工出的晶體管線寬。
而決定光刻工藝的，是光的波長。
要提高光在硅片上的加工精度，就需要提高光刻分辨，也就是能清晰分辨出硅片上相隔很近的特徵圖形的能力。根據瑞利公式，光刻分辨率R=kλ/NA，k代表工藝因子，λ表示波長，NA表示曝光系統的數值孔徑。
顯然，要提高光刻分辨率，要麼提高工藝(降低k)，要麼減小波長(降低λ)，要麼提高數值孔徑。其中最直接的手段是做出更短波長的光源。
於是從上世紀80年代到本世紀初，半導體工程師們將光刻波長從436nm降到365nm，再降到248nm，在世紀初開始應用著名的ArF準分子激光，並發展處成熟的激光產業。包括近視眼手術在內的多種應用都應用這種激光，相關激光發生器和光學鏡片等都比較成熟。
與此同時，光刻技術的工藝製程也從最初的1200nm降至800nm，再降至500nm，繼而是350nm……直到90nm。
但誰也沒想到，光刻光源的發展在這個階段卡了很長時間。從2003年使用193nm波長光源開始，直到今天，我們用的所有手機電腦主芯片仍舊大多是193nm光源光刻出來的，製造工藝雖然勉強從90nm發展到7nm，但這已經是極限了。
此時，英特爾扮演了很重要角色。早在1997年，他們就預見到了193nm的巨大難度，策劃了一項龐大的行動，召集全球精英，一起開發新的光刻技術——極紫外光刻，也就是今天常説的EUV。
他們説服美國能源部共同牽頭，集合了當時如日中天的摩托羅拉以及AMD，以及享有盛譽的美國三大國家實驗室:勞倫斯利弗莫爾實驗室，勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室。更重要的是，他們還説服美國政府，希望允許ASML和尼康加入。
最終，尼康被拒絕加入，ASML做了一堆對美國貢獻的許諾後獲得允許，埋下了今後走向巔峯的伏筆。
在此後6年間，項目投資2億美元，召集了數百位人類科學精英，發表了數百篇論文，驗證了EUV光刻機的可行性。
極紫外光源(EUV)採用將二氧化碳激光照射在錫等靶材上的方法，將激發出的13.5 nm光子，一下子將波長縮短了1個數量級。
整個光源系統除了光的產生之外，還包括光的收集、光譜的純化與均勻化。由於氣體跟玻璃材料都會影響光源的收集，所以整個腔體必須是真空系統，同時透鏡也需要使用高反射的布拉格透鏡。同時光譜在實現均勻化之後才能得到平行的均勻光，曝光效果才會得到保證。
隨後，ASML經過十來年的巨大投入和艱難研發，期間三星、台積電、英特爾共同向ASML注資52.59億歐元，終於將EUV光刻機技術實現併產業化。2015年，可量產的樣機發布。雖然售價高達1.2億美元一台，但還是收到雪片一樣的訂單。排隊等交貨，都要等好幾年。
而在ASML成功推出EUV光刻機後，在193nm時代就已經落後的2家日本競爭對手——東芝和尼康，這時更加無力追趕，前者確立了在光刻機生產領域一家獨大的地位。
這似乎給我國光刻機發展蒙上了一層陰雲。國內光刻機制造企業上海微電子製造的光刻機還停留在90nm工藝的水平——剛剛進入193nm波長瓶頸期，相當於國外17年前的水平。
而且，美國集全球頂尖科學家之力才研發出EUV技術，ASML耗費十餘年、投入數十億將其產業化，在當前美國對中國技術封鎖的情況下，上海微電子將面臨獨自解決這一問題的挑戰。
難點
具體而言，光刻機有以下難點:
1、組裝。
光刻機最重要的技術之一是組裝，就是把所有的元件組裝起來，然後使分辨率達到最高，同時套刻精度達到最佳。
“機器內部温度的變化要控制在千分之五度，得有合適的冷卻方法，精準的測温傳感器。”相關業內人員表示。SMEE最好的光刻機，包含13個分系統，3萬個機械件，200多個傳感器，每一個都要穩定。
2、控制。
光刻機可能是製造業內對精密性要求最高的產品。光刻的原理就像在米粒大小的面積上，雕刻納米級大小的文字，對於誤差的要求可想而知。
例如，光刻機裏有2個同步運動的工件台，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個工作台由靜到動，加速度跟導彈發射差不多。
而且，温濕度和空氣壓力變化會影響對焦。
3、光源。
製造EUV需要極高的能量。EUV能被空氣吸收，所以光刻環節必須耗電保持真空環境。更誇張的是，EUV還能被透鏡吸收，所以只能用十幾次面透鏡，通過不斷反射將光源集中。
每反射1次，EUV的能量就會損失3成。十幾次反射後，到達晶圓的光線理論上只剩下2%。從能連趕上看，韓國企業海力士曾經説過，極紫外光EUV的能源轉換效率只有0.02%左右。
以此計算，目前ASML的EUV光刻機輸出功率為250瓦，那麼其輸入功率將高達1250000瓦!1台EUV光刻機的光源工作1天，就要消耗30000度電。
電費且不説，如何製造出合格的光源，也是一個問題。當初ASML收購了全球領先的準分子激光器供應商Cymer，才製造出了合格的產品。
4、鏡頭。光刻機的中心鏡頭對於鏡頭要求較高，位於光刻機中心的鏡頭，由20多塊鍋底大的鏡片串聯組成，需要高純度透光以及高拋光。
目前，符合光刻機要求的鏡片還無法靠機器製造，先進光刻機鏡頭全部由手工打磨而成，能夠達到這一標準的公司並不多(光刻機工藝製程越高，要求也就越高)。
早前，ASML以10億歐元現金入股德國著名光學系統生產商卡爾·蔡司，現在用的都是這家老牌光學企業經驗豐富的匠人打磨的鏡頭。