光刻機，再起風雲

👆如果您希望可以時常見面，歡迎標星🌟收藏哦~

來源：內容編譯自經濟學人，謝謝。

很少有人會想到人工智慧的未來會取決於荷蘭的安靜小鎮埃因霍溫。然而，就在小鎮邊界外，坐落著阿斯麥的總部。阿斯麥是唯一一家生產尖端人工智慧晶片所需機器（光刻工具）的公司。

ASML 的最新產品是一臺 150 噸重的巨型機器，大小相當於兩個集裝箱，售價約為 3.5 億美元（5.533 億澳元）。它也是目前在售的最先進的機器。

該公司的專業知識使其成為全球技術戰的中心。為了阻止中國製造出先進的人工智慧晶片，美國禁止 ASML 向中國晶片製造商出售其最先進的裝置。作為回應，中國正投入數十億美元開發本土替代品。

與此同時，日本競爭對手佳能正押注更簡單、更便宜的技術來削弱 ASML 的控制力。然而，與軟體不同，軟體行業的領導地位可能在幾個月內發生變化，而光刻技術的成功是一場以幾十年為單位的緩慢競賽。超越 ASML 並不容易。關鍵在於對機器的控制，它將塑造計算、人工智慧和技術本身的未來。

ASML 最先進的機器令人難以置信。它的工作原理是將 50,000 滴熔化的錫液射入真空室。每滴錫液都要接受雙重打擊：首先是弱雷射脈衝將其壓扁成小餅狀，然後是強雷射將其蒸發。這個過程將每滴錫液變成熱等離子體，溫度達到近 220,000 攝氏度，大約是太陽表面溫度的 40 倍，併發出極短波長（極紫外或 EUV）的光。

然後，光線被一系列鏡子反射，這些鏡子非常光滑，以至於瑕疵只有萬億分之一米。鏡子將光線聚焦到包含晶片電路藍圖的掩模或模板上。最後，光線從掩模反射到塗有感光化學物質的矽片上，將設計印在晶片上。

ASML 的工具對於現代晶片製造來說不可或缺。臺積電、三星和英特爾等公司依靠它們生產尖端處理器，從人工智慧加速器到智慧手機晶片。沒有其他公司能夠製造出能夠可靠列印“7 奈米”（十億分之一米）及以下晶片的機器（儘管這些術語曾經與物理解析度有關，但現在主要用於營銷）。即使對於更成熟的技術（“14 奈米”及更高），該公司的工具也佔據了 90% 以上的市場份額。

微晶片是一種電子千層麵：電晶體的基座上覆蓋著傳輸資料和電源的多層銅線。一個尖端處理器可以封裝超過 1000 億個電晶體，包含超過 70 層，佈線長度超過 100 公里，所有這些都位於一塊約為標準郵票 1.5 倍大小的矽片上。為了構建這些微小的特徵，光刻機分階段工作，在晶圓上逐層蝕刻電晶體和金屬線的圖案。單個晶圓可以包含數百個晶片。

ASML 的工具很複雜，但其基本原理與老式幻燈片投影儀非常相似：光線穿過模板將影像投射到表面上。光學光刻工具可以列印的最小特徵主要取決於兩個因素。首先是光的波長。就像更細的畫筆可以畫出更細緻的筆觸一樣，更短的波長可以實現更小的圖案。ASML 的舊系統使用深紫外 (DUV) 光，波長在 248nm 至 193nm 之間，可產生最小至 38nm 的特徵。

為了進一步縮小晶片尺寸，ASML 轉向使用波長為 13.5nm 的 EUV 光。雖然 EUV 是由太陽日冕在太空中自然發射的，但在地球上產生它要困難得多。EUV 光也被空氣、玻璃和大多數材料完全吸收，因此該過程必須在真空中封閉，使用特殊的鏡子來反射和引導光線。ASML 花了二十年時間完善了向熔融錫滴發射雷射以建立和產生這種難以捉摸的光束的方法。

另一個設定最小特徵尺寸的刻度盤是鏡子的數值孔徑 (NA)，這是衡量鏡子能夠收集和聚焦多少光的指標。ASML 的最新系統稱為High NA EUV，使用孔徑為 0.55 的鏡子，使其能夠在小至 8 奈米的晶片上列印特徵。為了進一步縮小尺寸，該公司正在研究所謂的超 NA，即將孔徑提高到 0.75 以上，同時仍使用現有的 EUV 光。更高的 NA 意味著鏡子可以收集和聚焦來自更廣泛角度的光線，從而提高精度。但這是有代價的。更大的 NA 需要更大的鏡子來攔截和引導擴大的光路。當 ASML 將其機器的 NA 從 0.33 增加到 0.55 時，鏡子的尺寸增加了一倍，重量增加了 10 倍，現在重達數百公斤。再次增加 NA 只會增加體積，引發對功耗的擔憂。

另一個障礙是定價。ASML 沒有透露確切數字，但其最新的 EUV 機器的價格幾乎是其前代產品的兩倍。Hyper NA 系統的價格會更高。儘管該公司警告說，無法保證它能夠生產，但 ASML 的技術主管 Jos Benschop 相信，超 NA 機器可能會在未來 5 到 10 年內問世，具體取決於需求。

一些研究人員已經計劃超越 EUV 光，將波長瞄準 6nm 左右。這將需要在光源、光學和光刻膠（晶圓上的感光塗層）方面取得突破。更短的波長也帶來了新的挑戰，包括“散粒噪聲”，即模糊圖案的隨機粒子運動。但瑞士研究中心保羅謝爾研究所的 Yasin Ekinci 認為，如果Hyper NA 無法實現，這將是“B 計劃”。

在 ASML 不斷突破光學光刻技術的極限的同時，中國——由於無法獲得最先進的晶片製造工具——正試圖從仍可進口的舊 ASML 機器（可達到 28 奈米及以上）中獲取更多技術。一種方法是多重圖案化，即將圖案分解為多個蝕刻階段，使機器能夠打印出兩倍或四倍小的細節。多重圖案化是有效的，但會增加複雜性並減慢生產速度。

有報道指出，中國也在攻克這個天王山，但開發 EUV 系統則是一個完全不同的挑戰。研究公司 SemiAnalysis 的 Jeff Koch 指出，除了掌握 EUV 光本身之外，還需要複製 ASML 龐大的供應鏈，該供應鏈延伸到 5000 多家專業供應商。

因此，ASML 在高階光刻領域的主導地位似乎不可動搖。但曾經的行業領導者佳能正在押注另一種選擇。奈米壓印光刻 (NIL) 可以將電路圖案直接印在晶圓上，就像印刷機一樣。理論上，NIL 可以建立具有奈米精度的特徵，為 ASML 的 EUV 機器提供低成本、緊湊的競爭對手。

NIL 工藝首先要製作一個主掩模，用電子束將電路模板蝕刻在上面。接下來，將液態樹脂滴在晶圓上，然後用掩模將電路圖案壓在晶圓上。然後使用紫外線固化樹脂並形成電路圖案，之後移除掩模。晶片的每一層都要重複這一步驟。佳能估計，其方法的成本比 ASML 的同類機器低 40% 左右。

NIL 要成為主流晶片製造技術，必須克服多項挑戰。缺陷是一大問題——模具上的微小顆粒或瑕疵會在整個晶圓上造成重複性缺陷。對準是另一個障礙。由於晶片是分層構建的，因此每層的電路圖案必須精確對齊。晶圓平整度的任何變化或模具與晶圓之間的輕微錯位都可能導致奈米級誤差，從而破壞電氣連線。佳能聲稱其系統可達到奈米級精度，但在生產過程中始終保持這一精度非常困難。然後是吞吐量，即一臺機器每小時可以處理多少晶圓。ASML 的高 NA EUV 工具每小時可處理超過 180 片晶圓，一些舊型號的產量幾乎是這個數字的兩倍。相比之下，佳能最新的 NIL 系統每小時只能處理 110 片晶圓，因此不太適合大批次晶片生產——至少目前如此。

到目前為止，NIL 在半導體制造之外取得了更大的成功，特別是在製造智慧手機顯示屏和其他高精度部件方面。該技術現在正在進入記憶體晶片生產領域，與邏輯晶片相比，記憶體晶片對較高的缺陷率更為容忍。佳能光學部門負責人 Iwamoto Kazunori 認為，NIL 可以與 EUV 光刻技術共存，儘可能以低成本執行製造步驟，並避開更精細的細節。

此類創新可以幫助企業設計速度更快、更節能的晶片，為新一代人工智慧模型提供動力。如果 ASML 不小心，世界上最重要的機器可能無法永遠保持其頭銜。

參考連結

https://www.smh.com.au/technology/the-race-is-on-to-build-the-world-s-most-important-machine-20250317-p5lk1d.html

END

👇半導體精品公眾號推薦👇

▲點選上方名片即可關注

專注半導體領域更多原創內容

▲點選上方名片即可關注

關注全球半導體產業動向與趨勢

*免責宣告：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支援，如果有任何異議，歡迎聯絡半導體行業觀察。