摘要：晶体管的这些宽度与光刻的分辨率有关，因为刻蚀的时候，是把光刻的地方刻蚀掉，然后进行离子沉淀，因此光刻的最小分辨率就决定了晶体管的尺寸。

在绝大部分人的理解中，没有EUV光刻机就没法做出5nm，3nm的芯片。从光刻的角度来，其实没有EUV光刻机，也能做出先进芯片。

7纳米工艺：约18纳米到20纳米。

5纳米工艺：约15纳米到18纳米。

3纳米工艺：约12纳米到15纳米。

晶体管的这些宽度与光刻的分辨率有关，因为刻蚀的时候，是把光刻的地方刻蚀掉，然后进行离子沉淀，因此光刻的最小分辨率就决定了晶体管的尺寸。

R=k1⋅λ/NA​

其中：

λ 是光源的波长。

NA 是数值孔径（Numerical Aperture）。

k1​ 是工艺因子（Process Factor），取决于光刻工艺的优化程度。

工艺因子：假设 k_1 = 0.3k1​=0.3（这是一个典型的优化值）。

光刻分辨率

以目前的干式DUV光刻机来说，其波长是193纳米，NA数值孔径是0.93，K1与厂商的优化能力有关，典型优化值是0.3。

根据分辨率公式，可以计算出其分辨率是：

R=0.3*193/0.93=62.3纳米，也就是其光刻的最小分辨率是62.3纳米。国产光刻机宣布其光刻精度是65纳米，其实就是这么来的。

上面说的是单次光刻的精度，如果采用多次光刻呢？

多重光刻（如双重光刻、四重光刻）通过将复杂的图案分解为多个简单的图案，分别进行曝光和刻蚀，从而提高分辨率。

双重光刻（Double Patterning Lithography, DPL），分辨率可以提高一倍；四重光刻（Quadruple Patterning Lithography, QPL），分辨率可以提高四倍。

采用国产光刻机，其分辨率是65纳米，那么双重光刻的分辨率就是65/2=33纳米。是做不了28纳米的芯片的。如果采用四重光刻，理论上的分辨率就是65/4=16.25纳米。

前面我们已经知道，5纳米芯片的栅极、源级、漏极的宽度是15到18纳米，也就是说，理论上只要攻克四重光刻技术，就可以做出5纳米芯片，但是做3纳米芯片还是够呛。

华为已经在4重光刻上已经做了很多的研究。其实台积电也想通过四重光刻做3纳米芯片，但是没有突破相关的技术，或者良率太低了，被迫转向EUV。

如果用国产光刻机做双重光刻，其集体管的平均尺寸就是33*3+66=165纳米，单位晶体管面积就是27225平方纳米，那么其晶体管密度就是10000/6561=3673万个/平方毫米，台积电16纳米的晶体管密度是2900万个/平方毫米，台积电12纳米工艺的晶体管密度是3380万个/平方毫米，因特尔22纳米的晶体管密度是3750万个/平方毫米。也就是如果硅片全程用双重光刻技术，晶体管密度是可以优于台积电12纳米工艺节点的。

如果华为顺利攻克了四重光刻技术，用国产光刻机做四重光刻，那么其晶体管的平均尺寸就是17*3+30=81纳米，单位晶体管面积就是6561平方纳米，那么其晶体管密度就是10000/6561=1.52亿/平方毫米。台积电的5纳米芯片实际晶体管密度是的1.34亿个/平方毫米。四重光刻的晶体管密度是显著台积电高于5纳米的，甚至达到台积电4纳米水平。

按照研发进度，当干式光刻机商用后，2年内可以商用浸入式光刻机。阿斯麦是2004年研发出浸润式光刻机，按照欧洲20年的发明专利保护期，今年浸润式光刻机的专利已经到期，我们可以使用相关的浸润式技术生产浸润式光刻机。

浸润式其实不只有阿斯麦纯水一个技术路径，氟化镁、氟化钙等物质也可以作为浸润式光刻机的折射介质。即使专利受限，依然有其他可选路径。

纯水折射率：约1.43（在193纳米波长下）；透光范围：100纳米以上。

氟化镁折射率：约1.38（在193纳米波长下）；透光范围：从紫外到红外（约120纳米到8微米）。

氟化钙折射率：约1.43（在193纳米波长下）；透光范围：从紫外到红外（约130纳米到8微米）。

经过水的折射后，193纳米的光源等效于193/1.43=135纳米。

浸润式光刻机的NA值是非常高的，达到1.35，也就是浸润式光刻机单次曝光的分辨率是：

R=0.3*135/1.35=30纳米。

也就是浸润式光刻机，单次曝光大约能够做28纳米的芯片，略优于干式光刻机的双重曝光。

浸润式光刻机双重曝光的分辨率是30/2=15纳米，可以做典型的5纳米芯片，理论上的可以做的晶体管尺寸是73纳米到77纳米，晶体管的单位面积可以做到5329平方纳米到5929平方纳米之间，晶体管密度是1.69亿个/平方毫米到1.87亿个/平方毫米。

从这里就可以看出，台积电的浸润式光刻机的双重曝光技术掌握的并不是特别优秀，因为其晶体管密度是显著低于理论密度的，其晶体管尺寸是18*3+32=86纳米，晶体管尺寸是7396平方纳米，晶体管密度是1.35亿/平方毫米。

根据国外相关机构的拆解，华为麒麟9000S的晶体管密度是9800个/平方毫米，如果明年能够商用浸润式光刻机，采用双重曝光后，其晶体管密度有望达到1.7亿个/平方毫米，那么华为芯片的性能的增长有望达到70%到80%。

浸润式光刻机四重曝光的分辨率是30/4=7.5纳米，这个分辨率足够用来生产3纳米甚至2纳米芯片了，为什么呢？

EUV光刻机的光源是13.5纳米，但是EUV光刻机的NA值非常低，旧款的NA值是0.33，新款的NA值是0.55，空气的折射率是1，那么这两款EUV光刻机的分辨率是：

NA是0.33：0.3*13.5/0.33=12.3纳米；

NA是0.55：0.3*13.5/0.55=7.4纳米；

也就是说，只要能够攻克四重曝光技术，浸润式光刻机的分辨率是可以达到最新款的售价高达3亿美元的EUV光刻机的分辨率的。

哪有人会说，EUV也可以多重光刻啊。理论上讲，EUV确实可以双重甚至多重光刻，但是由于工艺复杂性、光刻胶性能、设备成本和工艺兼容性等实际限制，实际应用中主要采用单次曝光。因此，攻克四重光刻技术，理论上我们就掌握了等价于最新款EUV的光刻技术。

浸润式光刻不仅有双重、四重光刻的进步路线，其实光源也是很大提升空间的，譬如157纳米光源和126纳米光源，就非常值得研究。尤其是126纳米光源，采用氟化钙镜头进行折射，然后采用折射率为1.3的氟化液作为浸润式的折射介质，最大NA是1.3，可以做出分辨率是：

0.3*126/1.3/1.3=22.3纳米。

经过双重光刻，其理论最大分辨率是11.2纳米，经过四重光刻，其理论最大分辨率是5.6纳米。而阿斯麦做的下一代EUV光刻机的数值孔径NA是0.7到0.77，其理论最大的单次分辨率是5.8纳米到5.3纳米。0.3*13.5/0.7=5.8纳米，0.3*13.5/0.77=5.3纳米。

也就是说，不用昂贵的EUV光刻机，只用DUV光刻机，在解决4重光刻技术的前提下，也能制造全世界最先进的芯片。所以，不要完全盯住EUV光刻机，只要把浸润式光刻机玩透彻，没有EUV依然是可以造出全球最先进的芯片。

从效率上看，最先进的DUV系统每小时可以曝光500片，而EUV只有170片到220片，EUV光刻的效率远低于DUV的上限，因此可以说DUV双重光刻的成本是远低于EUV的，如果DUV的售价低于EUV的一半，四重光刻的成本也将比EUV便宜。

台积电没有搞出4重光刻，不代表我们也搞不出，所以，接下来决定中国芯片制程的关键是解决浸润式光刻技术，以及4重光刻技术，一旦攻克这两个技术，那么EUV禁运将变得毫无意义。当然，四重光刻还得掌握高性能EUV光刻胶的生产。

浸润式光刻的原理并不复杂，就是在晶圆上涂上一层10到20微米的纯水，通过水的折射缩短波长，浸润式光刻难在如何提高浸润式光刻的光刻效率，要提高效率就得避免设备的震动或者镜头的移动导致水里产生气泡。相信以中国人的智慧，已经有厂商大概率生产出了浸润式光刻机，2025年就会投入商用。

来源：芒格视角