《芯片戰爭：世界最關鍵技術的爭奪戰》第六部分：EUV光刻機

《芯片戰爭：世界最關鍵技術的爭奪戰》是美國經濟史學家克里斯·米勒撰寫、蔡樹軍翻譯的科技類著作。該書以半導體產業全球分工為主線，追溯從冷戰至今的芯片技術發展歷程，闡釋芯片在現代軍事、經濟和地緣政治中的戰略地位。全書涵蓋美國通過技術博弈確立主導地位、臺灣半導體產業崛起、華為5G技術受限等案例，分析全球芯片短缺與供應鏈危機背后的國家競爭。書中提及美國《芯片法案》補貼政策、EUV光刻機研發困境等議題，揭示大國在人工智能與軍事技術領域的核心博弈。

EUV光刻機

迪倫·麥克格斯（Dylan McGrath），《英特爾再次減持阿斯麥股份》（Intel Again Cuts Stake in ASML），《電子工程專輯》英文版，2018年10月12日。

蘋果并不是半導體行業中唯一擁有令人困惑的復雜供應鏈的公司。到2010年末，荷蘭光刻機公司阿斯麥已經花了近20年的時間試圖使極紫外光刻發揮作用。要做到這一點，阿斯麥就需要在世界上搜尋最先進的部件、最純凈的金屬、最強大的激光器和最精確的傳感器。EUV光刻機是我們這個時代最大的技術賭注之一。2012年，在阿斯麥生產出功能性EUV光刻機之前的幾年，英特爾、三星和臺積電都直接投資于阿斯麥，以確保其擁有足夠的資金繼續開發未來芯片制造能力所需的EUV光刻機。2012年，僅英特爾就向阿斯麥投資了40億美元。這是該公司有史以來最大的賭注之一。此前，英特爾在EUV光刻機上投入了數十億美元的贈款和資金，可追溯到安迪·格魯夫時代。

采訪約翰·泰勒，2021年。

EUV光刻機背后的想法，正如一位參與該項目的科學家所說的，與英特爾和其他芯片公司組成的財團，當年給幾個國家實驗室提供“無限資金去解決一個不可能解決的問題”時，沒有什么不同。這個概念與杰伊·萊思羅普的倒置顯微鏡基本相同：通過使用掩模來阻擋部分光線，從而形成光波圖案，然后投射到硅片上的光刻膠上。光與光刻膠反應，使材料沉積或蝕刻成完美形狀成為可能，從而完成芯片制造。

萊思羅普使用了簡單的可見光和柯達生產的現成光刻膠。通過使用更復雜的透鏡和化學物質，人們最終可以在硅片上刻出幾百納米尺寸的形狀。可見光的波長本身是幾百納米，這取決于顏色，因此隨著晶體管越來越小，它最終面臨著極限。該行業后來轉向波長為248納米和193納米的紫外光，紫外光相比可見光可以更精確地雕刻出圖形。但這還不夠，因此人們將希望寄托在波長為13.5納米的極紫外光上。

使用EUV帶來了新的困難，事實證明這個困難幾乎不可能得到解決。在萊思羅普使用顯微鏡、可見光和柯達生產的光刻膠的地方，所有關鍵的EUV光刻機部件都必須專門制作，你不能簡單地買一個EUV燈泡。要想產生足夠的EUV，需要用激光轟擊一個小錫球。西盟（Cymer）是由加州大學圣地亞哥分校的兩位激光專家創立的公司，自20世紀80年代以來一直是光刻光源領域的主要參與者。該公司的工程師們意識到，最好的方法是以大約每小時200英里的速度在真空中射出一個三千萬分之一米直徑的小錫球，然后用激光照射錫兩次，第一次脈沖加熱錫，第二次脈沖將錫球轟成溫度約為50萬攝氏度的等離子體，這比太陽表面熱很多倍。然后，這個轟錫過程每秒重復5萬次，以產生制造芯片所需強度的EUV。從那時起，復雜性的增加令人難以置信，而以前萊思羅普的光刻工藝只需借助于一個簡單的燈泡作為光源。

采訪兩位通快高管，2021年。

西盟的光源需要由一種新的激光器以足夠大的功率轟擊錫滴產生。這需要功率比以前任何激光器都要強大的二氧化碳激光器。2005年夏天，西盟的兩名工程師聯系了一家名為通快（Trumpf）的德國精密工具公司，看看它能否制造出這樣的激光器。通快制造了世界上最好的用于精密切割的二氧化碳激光器。在最好的德國工業傳統里，這些激光器是機械加工的紀念碑。因為在二氧化碳激光器產生的能量中，大約80%是熱量，只有20%是光，所以從機器中抽取熱量也是一個關鍵的挑戰。通快之前設計了一種鼓風機系統，風扇每秒轉動1000次，由于速度太快，鼓風機無法依靠物理軸承。最終，該公司學會了使用磁鐵，因此風扇可以在空氣中飄浮，并且在從激光系統中吸出熱量時不會與其他部件發生摩擦，也不會危及可靠性。

《通快激光放大器》（TRUMPF Laser Amplifier），通快，https://www.trumpf.com/en_US/products/laser/euv-drive-laser/。

通快在提供西盟所需的精確性和可靠性方面享有盛譽和良好紀錄。那么，通快能提供大功率的激光器嗎？EUV激光器的功率比通快已經生產的任何激光器的功率都要大。此外，西盟要求的精確度比通快之前處理過的任何項目都更精確。西盟提出了一種由四個部件組成的激光器：一是兩個“種子”激光器，雖然其功率低，但能精確地控制每個脈沖，使激光每秒能擊中5萬個錫滴；二是四個增加光束功率的諧振器；三是一個超精確的“光束傳輸系統”，可以將光束引導到錫液滴室，光束路徑超過30米；四是一個最終聚焦裝置，以確保激光每秒直接命中數百萬次。

采訪通快兩位高管，2021年。馬克·勞里（Mark Lourie），《II-VI公司擴大EUV光刻機通快高功率CO2激光器的金剛石窗口的制造能力》（II-VI Incorporated Expands Manufacturing Capacity of Diamond Windows for TRUMPF High Power CO2 Lasers in EUV Lithography），世通社，2018年12月19日。

每一步都需要創新。激光室中的特殊氣體必須保持恒定密度。錫滴本身能夠反射光，反射光有可能進入激光系統形成干擾。為了防止這種情況的出現，激光系統需要特殊的光學部件。通快需要工業鉆石來提供激光離開腔室的“窗口”，必須與合作伙伴合作開發新的超純鉆石。通快花了十年時間來應對這些挑戰，生產出了功率和可靠性都足夠的激光器。每臺光源需要整整457329個部件。

在西盟和通快找到了一種方法來轟擊錫并使其發出足夠強的EUV后，下一步是制作反射鏡，收集光并將其指向硅芯片。制造世界上最先進光學系統的德國公司蔡司自珀金埃爾默和GCA成立以來，就為光刻系統制造反射鏡和透鏡。但過去使用的光學部件與EUV所需的光學部件之間的差異，大約與萊思羅普的燈泡和西盟的錫滴噴射系統之間的差異一樣巨大。

C.蒙特卡姆（C. Montcalm），《極紫外線光刻的多層反射涂層》（Multilayer Relective Coatings for Extreme-Ultraviolet Lithography），能源部科學技術信息辦公室，1998年3月10日。《彼得·庫茲博士訪談：“擊中月球上的高爾夫球”》（Interview with Dr. Peter Kurz:“Hitting a Golf Ball on the Moon”），《光子學世界》（World of Photonics）。《蔡司——為明天的微芯片開辟新天地》（ZEISS: Breaking New Ground for the Microchips of Tomorrow），蔡司集團，YouTube視頻，2019年8月2日。

蔡司面臨的主要挑戰是EUV難以反射。13.5納米波長的EUV更接近X射線而不是可見光。與X射線一樣，許多材料吸收EUV，而不是反射EUV。蔡司開始開發由100層交替的鉬和硅制成的反射鏡，每層厚度為幾納米。勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的研究人員在1998年發表的一篇論文中確定了這是目前最佳的EUV反射鏡。但是，制造這樣一個具有納米級精度的反射鏡被證明幾乎是不可能的。最終，蔡司創造了有史以來最光滑的鏡子，其中的缺陷小到幾乎難以察覺。蔡司表示，如果EUV光刻系統中的鏡子按比例放大到德國面積大小，它們最大的不平整度是十億分之一毫米。為了精確地引導EUV，EUV光刻系統中的鏡子必須保持完全靜止，這需要機械和傳感器高度精確，以至蔡司宣稱其可以讓激光擊中月球上的高爾夫球。

《負責任的供應鏈：為高科技行業設置更高的標準》（Responsible Supply Chain: Setting the Bar Higher for the High-Tech Industry），阿斯麥。采訪弗里茨·范霍特，2021年。

2013年，范霍特接管了阿斯麥的EUV光刻業務。對于他來說，EUV光刻系統最關鍵的投資不是某個單一部件，而是公司的供應鏈管理技能。范霍特解釋道，阿斯麥“像機器一樣”設計了這個商業關系網絡，產生了一個由數千家公司組成的能夠滿足阿斯麥嚴格要求的精細協調系統。他估計，阿斯麥本身只生產了EUV光刻機部件的15%，其余部分是從其他公司購買的。這使得阿斯麥可以獲得世界上最精細的產品，但它需要不斷地監控。

新聞稿：《蔡司和阿斯麥將在21世紀20年代初加強下一代EUV光刻的合作關系》（Press Release: ZEISS and ASML Strengthen Partnership for Next Generation of EUV Lithography Due in Early 2020s），阿斯麥，2016年11月3日。采訪阿斯麥供應商高管，2021年。

阿斯麥別無選擇，只能依靠單一來源獲得EUV光刻系統的關鍵部件。為了管理這一點，阿斯麥深入了解其供應商的源頭，以了解風險。阿斯麥以投資形式回報某些供應商，比如2016年支付給蔡司10億美元，為蔡司的研發提供資金。這樣，所有供應商都達到了嚴格的標準。阿斯麥的首席執行官彼得·溫寧克（Peter Wennink）告訴一家供應商：“如果你不守規矩，我們就會把你買下來。”這并不是一個玩笑：阿斯麥最終買下了包括西盟在內的幾家供應商，因為阿斯麥認為自己可以更好地管理它們。

伊戈爾·弗門科夫等，《批量制造EUV光源：技術、性能和功率放大》（Light Sources for High-Volume Manufacturing EUV Lithography: Technology, Performance, and Power Scaling），《先進光學技術》（Advanced Optical Technologies），第6卷，第3-4期，2017年6月8日。

結果，一臺擁有數十萬個部件的機器，花費了數百億美元和幾十年的時間來研發。奇跡不僅僅在于EUV光刻技術的成功，還在于EUV光刻技術能夠以足夠可靠的成本生產芯片。極端的可靠性對于EUV光刻系統中的任何部件都至關重要。阿斯麥為每個部件設定了一個平均使用時間至少為3萬小時的目標——大約四年后才需要維修。實際上，這些部件需要頻繁地進行維修，因為每個部件不是同時失效的。每臺EUV光刻機的成本超過1億美元，因此如果每臺機器離線一小時，芯片制造商就會損失數千美元。

這里對計算光刻的描述借鑒吉姆·凱勒，《摩爾定律沒有死》（Moore's Law Is Not Dead），加州大學伯克利分校電子工程和計算機科學系活動，YouTube視頻，2019年9月18日。

EUV光刻機之所以能夠工作，部分原因歸功于軟件。例如，阿斯麥使用預測性維護算法來預計部件何時需要在損壞之前更換。阿斯麥還使用一種叫作計算光刻的軟件來更精確地打印圖案。光與光刻膠產生化學反應的原子級不可預測性給EUV帶來了新的問題，而這在更大波長的光刻技術中幾乎不存在。為了調整光線折射方式的異常，阿斯麥的工具以不同于芯片制造商希望印在芯片上的圖案投射光線。要想形成圖形“X”，阿斯麥需要使用形狀非常不同的圖案，但當光到達硅晶圓后，最終會產生“X”。

作為最終產品，芯片之所以能夠可靠地工作，是因為它只有一個部件——一塊覆蓋著其他金屬的硅。芯片中沒有運動部件，除非你算上芯片內部運動的電子。但生產先進的半導體依賴于一些迄今為止最復雜的機器。阿斯麥的EUV光刻機是歷史上最昂貴的大規模生產機器，其復雜程度非常高。如果沒有阿斯麥工作人員的充分培訓，其他公司就不可能使用阿斯麥的EUV光刻機，阿斯麥的工作人員在設備的整個使用壽命期間都會留在現場。每個EUV光刻機的側面都有一個阿斯麥徽標。但阿斯麥欣然承認，阿斯麥的專長是能夠協調一個由光學專家、軟件設計師、激光公司和許多其他人組成的網絡，這些人的能力是實現EUV光刻機夢想所必需的。

《通快通過激光交易整合EUV光刻供應鏈》（Trumpf Consolidates EUV Lithography Supply Chain with Access Laser Deal），2017年10月4日。

正如格魯夫在生命的最后幾年那樣，人們很容易對制造業的離岸外包感到惋惜。荷蘭公司阿斯麥將美國國家實驗室率先開發的一項技術商業化，該技術主要由英特爾提供資金。如果人們知道光刻或EUV光刻技術的歷史，這無疑會激怒美國的經濟民族主義者。但阿斯麥的EUV光刻工具并不是真正的荷蘭式工具，盡管它們主要在荷蘭組裝，其關鍵部件來自加利福尼亞州的西盟，以及德國的蔡司和通快，甚至這些德國公司也依賴美國生產的關鍵設備。問題是，與其說一個國家能夠對這些神奇的工具感到自豪，不如說它們是許多國家的產物。一個有幾萬個零件的工具有很多“父親”。

格魯夫問過約翰·卡拉瑟斯一個問題：“它能行嗎？”然后，格魯夫將他的第一筆2億美元投資于EUV光刻機。經過30年的時間、累積數百億美元的投資、一系列的技術創新，以及世界上最復雜的供應鏈的建立，到2015年左右，阿斯麥的EUV光刻機終于準備好部署到世界上最先進的芯片制造廠。