阿斯麥的啟示：國產(chǎn)EUV何時到來？

曾文仁

2021年11月7日，第四屆進博會，阿斯麥以裸眼3D視頻形式展示EUV光刻機的內(nèi)部運作原理

所謂中國清華大學(xué)成功突破EUV光刻機技術(shù)難關(guān)，且工廠已于雄安新區(qū)運行的虛假新聞，近日得到了求證并非為事實，卻依然引起了廣泛討論。中國電子院其后澄清，虛假新聞?wù)掌皇枪饪虣C，而是北京高能同步輻射光源（HEPS）項目，是國家“十三五”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

一個煞有介事的謠言，能在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)廣泛散播，最后竟需要中國電子院出面澄清辟謠，背后反映著中國社會對科技發(fā)展未來的焦慮，以及在芯片和光刻機層面被“卡脖子”憂心忡忡的社會心理。

光刻機是制造芯片的工具

了解事實應(yīng)從基本概念開始。光刻是制造芯片的其中一項重要工序，而光刻機是芯片的制造裝置。光刻又名微影制程，據(jù)龍頭企業(yè)阿斯麥（ASML）臺版官網(wǎng)最簡潔的描述，是“用光將電路設(shè)計圖微縮投印在硅芯片上—這是量產(chǎn)芯片時最重要的步驟”。

光刻系統(tǒng)本質(zhì)上是一個投影系統(tǒng)，利用光線穿透印有電路圖的光罩，在芯片上投印出電路設(shè)計圖，而光罩上的電路圖是實際芯片呈現(xiàn)圖案的4倍大。透過光線投射出光罩上的圖案，光刻系統(tǒng)中的光學(xué)器件會微縮，并將圖案聚焦到感光的硅晶圓上。當(dāng)圖案投印完成后，系統(tǒng)會稍微移動晶圓，并在晶圓上進行另一次復(fù)制。

精密的光刻系統(tǒng)有助更精確投印更細致的電路設(shè)計圖在硅晶圓上，從而有望制造更高階的芯片。在中國大陸，上海微電子是國內(nèi)龍頭企業(yè)，國內(nèi)市占率號稱高達80%，機器主要售于中芯國際、海思半導(dǎo)這般的國內(nèi)芯片制造商，旗下600系列光刻機是最精密的型號。消息指出，上海微電子現(xiàn)正著力研制能提高至28納米的光刻機。

2022年5月，在真空室中進行的蔡司光學(xué)系統(tǒng)測試，該系統(tǒng)將用于ASML開發(fā)的最新光刻機中

在全球?qū)用?，荷蘭的阿斯麥則占盡優(yōu)勢，它為臺積電、英特爾、三星等國際芯片制造商提供機器。阿斯麥在14納米制程以下高端制程的市占率近100%，且已可覆蓋5納米的制程，現(xiàn)更進一步向2納米等更精密的制程邁進。

在芯片的制程中，數(shù)字越小，意味同等面積的芯片放置更多電路，制造出的芯片亦更為精密。電子裝置配置這些先進芯片，運算能力更高，亦意味著能夠以更少時間作更多運算。在光刻工序而言，數(shù)字越少，意味需更精確將更多電路設(shè)計路徑投印至硅晶圓上，經(jīng)過研磨、蝕刻等其他工序，最后形成精密的芯片。

兩家在地球兩側(cè)的企業(yè)，有著共同的“祖先”。

縮小芯片是光刻技術(shù)的初心

談及光刻技術(shù)前，我們需要了解芯片業(yè)發(fā)展的原動力，亦即削減成本、利潤最大化。除了不斷外包生產(chǎn)工序到發(fā)展中國家，技術(shù)層面的一大方向是不斷縮小芯片的面積，讓同等面積的硅晶圓能制造出更多、電路更細致的芯片。隨著科技進步和芯片公司營利的追求，多年來芯片的體積持續(xù)下降—這就是我們耳熟能詳?shù)哪柖擅枋龅内厔荨?/p>

多年來，科學(xué)家不斷分析、拆解、優(yōu)化芯片制程的各個步驟，削尖了腦袋也要研究進一步縮小芯片的辦法。然而，當(dāng)制造的芯片面積越小，進一步縮小其面積的難度亦越來越大，最終光波也成為需要克服的難關(guān)，那就是光刻技術(shù)的科技革命時刻。

以往電晶體較大時，光刻機使用的光波長度無關(guān)緊要，不過，當(dāng)芯片量度單位已踏入日常生活難以想象的微米（?m）甚至納米（nm）階段，數(shù)百納米長的光波足以影響蝕刻電路的精度。

簡單而言，光線的波長愈小，可刻在芯片上的細節(jié)愈多。在1990年代，當(dāng)時的電晶體的量度單位已是數(shù)百納米，研究人員開始努力尋找對硅晶圓曝光最好的光束。制造能運用這種光束的光刻機，在當(dāng)時技術(shù)和資本要求已非常高。當(dāng)年的光刻機龍頭是日本的尼康和佳能，運用的技術(shù)是深紫外光（DUV），波長是肉眼看不見的248或193納米。他們既生產(chǎn)芯片，也自行制造光刻機。

1992年，在英特爾工作的科學(xué)家卡拉瑟斯希望進一步研究更精密的光束，將更小波長的光線用于微影成像，于是向英特爾要求2億美元的經(jīng)費，開發(fā)波長僅為13.5納米的極紫外光（EUV）技術(shù)。

英特爾的負責(zé)人經(jīng)過商討后，發(fā)現(xiàn)他們別無選擇，只能提供經(jīng)費。英特爾最終投入數(shù)十億美元研發(fā)經(jīng)費，再額外投資數(shù)十億美元學(xué)習(xí)如何在芯片光刻中運用極紫外光。

EUV的光線接近X光線，而非介乎紅色與紫色之間的可見光，這是肉眼看不到、波長極短的光。不同于一般的紫外光技術(shù)，EUV技術(shù)只能在低真空環(huán)境中運作，技術(shù)難度更高。

與日本芯片制造商迷戀“工匠精神”的路徑不同，英特爾一直沒有計劃自行生產(chǎn)EUV設(shè)備，但它需要確保世上最少有一家頂尖光刻機公司能夠生產(chǎn)EUV設(shè)備，讓英特爾能繼續(xù)蝕刻愈來愈微觀的電路。

阿斯麥的崛起與EUV革命

這就迎來了當(dāng)今光刻機龍頭企業(yè)阿斯麥崛起的時刻。1984年，荷蘭飛利浦將光刻技術(shù)部門分拆，成立阿斯麥。阿斯麥成立之初，正值芯片業(yè)低潮，公司管理層認(rèn)為不可能自行制造整套系統(tǒng)，相反，應(yīng)從世界各地采購多個供應(yīng)商最頂尖的零件，從而組裝最強的系統(tǒng)。

與當(dāng)年的日本企業(yè)試圖自行制造一切的做法完全相反，這種能兼采各家所長的供應(yīng)鏈風(fēng)險管理能力，成為阿斯麥的看家本領(lǐng)，為其日后開發(fā)EUV機臺創(chuàng)造極大優(yōu)勢。

EUV技術(shù)不是阿斯麥或荷蘭的創(chuàng)新，這是英特爾和六家美國芯片商，以及美國能源部國家實驗室斥巨資開發(fā)的美國科研成果。這項研究成果需交由可信的公司，推動商業(yè)化、量產(chǎn)EUV機臺。

當(dāng)時美國本土的光刻機企業(yè)硅谷集團（SVG）技術(shù)落后，不堪大任。另一選項是日本廠商，不過上世紀(jì)80年代的日本企業(yè)與美國發(fā)生貿(mào)易糾紛，自然不可能充分信任對方。

阿斯麥作為荷蘭公司，在1980年代的日美貿(mào)易糾紛中有著中立的地位，受美國政府和英特爾等美國芯片商信任，成為唯一選擇。1990年代正值冷戰(zhàn)結(jié)束，美國作為唯一超級大國意氣風(fēng)發(fā)，“歷史終結(jié)論”盛行。部分美國參議員提出疑慮，EUV光刻機交由外國企業(yè)生產(chǎn)會危害國家安全，提出要不要拒絕阿斯麥?zhǔn)召徝绹饪虣C企業(yè)等單邊主義想法，這被美國社會和政界視為與全球化大勢不符的落伍觀點。

阿斯麥為消除美國戒心，除交出在美國本土設(shè)廠、采購美國零件等“投名狀”外，更邀請英特爾、臺積電、韓國三星成為股東。這是阿斯麥能獲得美國科技“壓箱寶”的一大原因，也為自己帶來全球最頂尖的元件。

有利的國際政治、經(jīng)濟環(huán)境，配以能兼采各國頂尖零件的供應(yīng)鏈管理能力，最終讓阿斯麥成為光刻機的龍頭。日本的尼康、佳能主動退出光刻機制造市場，加上阿斯麥在2001年成功收購美國唯一的光刻機公司SVG，讓阿斯麥成為量產(chǎn)EUV光刻機的唯一希望—值得注意的是，至此離EUV光刻機量產(chǎn)尚有十多年。

2023年6月30日，上海，中國國際半導(dǎo)體設(shè)備制造展覽會，參觀者了解尼康光刻機

2022年7月，德國博世半導(dǎo)體工廠

阿斯麥的EUV機臺不是真正的荷蘭產(chǎn)品，“這些神奇的機臺是許多國家的產(chǎn)物，沒有一個國家能宣稱自己擁有一切。”

全球協(xié)作芯片制造生態(tài)系統(tǒng)

阿斯麥第一臺可運行的EUV面世前，英特爾、臺積電、三星都直接投資在阿斯麥，阿斯麥亦明白EUV是風(fēng)險極高但利潤亦極高的項目，亦把所有資源押上開發(fā)機臺。但當(dāng)年，日本廠商尼康不相信EUV技術(shù)可行，看好阿斯麥的只有臺積電。

2002年，時任臺積電研發(fā)副總經(jīng)理林本堅，發(fā)明出浸潤式微影技術(shù)（Immersion Lithography），在鏡頭和晶圓之間注入水，光的波長在水中縮短，改變以往干式曝光的方法。阿斯麥與臺積電一拍即合，2004年已造出第一臺樣機，先后奪下IBM和臺積電等大客戶的訂單。

阿斯麥全球副總裁暨技術(shù)開發(fā)中心主任嚴(yán)濤南博士提及，臺積電與阿斯麥組成的團隊長期緊密合作，而阿斯麥為確保供應(yīng)鏈穩(wěn)固，亦不惜工本投資下游供應(yīng)商。阿斯麥與合作伙伴歷經(jīng)二十多年的努力，已構(gòu)成一個龐大的跨國生態(tài)系統(tǒng)，彼此早已是最親密的戰(zhàn)友。

值得一提是，飛利浦也是臺積電成立之初的主要投資者，而臺積電的芯片則按照飛利浦規(guī)格制造。這為阿斯麥創(chuàng)造了一個內(nèi)建的光刻機市場，兩家在地球兩側(cè)的企業(yè)，有著共同的“祖先”。臺積電在1989年的一場大火，意外地為阿斯麥帶來19部新光刻機的業(yè)務(wù)，這種協(xié)作關(guān)系持續(xù)30多年，直到今天。

今天，阿斯麥在官網(wǎng)大膽宣稱：“ASML是全世界唯一采用極紫外光的微影設(shè)備制造商。”他們持續(xù)投入研發(fā)，著力克服控制EUV極紫外光光源，推動EUV系統(tǒng)商用化，更已發(fā)展下一代High-NA EUV平臺，號稱能力優(yōu)于現(xiàn)有EUV平臺高達70%。阿斯麥和EUV的成功延續(xù)了摩爾定律的發(fā)展，讓3納米等高端芯片制造成為可能。

集合全球最優(yōu)解

回到芯片制造的討論，使用EUV技術(shù)光刻機能夠制造的芯片，遠比DUV技術(shù)機臺的產(chǎn)品精密。臺積電、韓國三星能買到最頂尖的EUV光刻機，故能進行14納米以下的先進制程，各憑實力制造3或5納米的尖端芯片。

中國芯片制造商受限于荷蘭政府的出口限制，不能買到最先進的EUV機臺，只能用阿斯麥較低階的機臺，甚至國產(chǎn)的DUV機臺，兩者芯片制成品的版本落差不難想象。至于中國能否自行生產(chǎn)EUV機臺，若仔細考察阿斯麥的案例，恐怕只是緣木求魚。

誠如《芯片戰(zhàn)爭》作者克里斯·米勒所提及的，阿斯麥的EUV機臺不是真正的荷蘭產(chǎn)品，它的關(guān)鍵零件是來自美國加州的西盟、德國的蔡司和創(chuàng)浦，而科研技術(shù)來自美國德州、中國臺灣?！斑@些神奇的機臺是許多國家的產(chǎn)物，沒有一個國家能宣稱自己擁有一切?！边@是作者一針見血的結(jié)論。

參考阿斯麥的發(fā)跡史，光刻機研發(fā)和制造是燒錢、燒腦且極耗光陰的玩意，不能急功近利，更不應(yīng)成為浮夸的空談。

“他山之石，可以攻玉”，科技發(fā)展尤是。全球化的時代中，科技發(fā)展應(yīng)講求與全球的精英合作，使用全世界最好的設(shè)備和零件，追求最優(yōu)的解方，盲目的單干不應(yīng)成為選項。日本30年前抱殘守缺的“工匠精神”，使之與頂尖技術(shù)失之交臂，難道我們今天要重蹈覆轍嗎？

責(zé)任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com