阿斯麦的启示：国产EUV何时到来？

曾文仁

2021年11月7日，第四届进博会，阿斯麦以裸眼3D视频形式展示EUV光刻机的内部运作原理

所谓中国清华大学成功突破EUV光刻机技术难关，且工厂已于雄安新区运行的虚假新闻，近日得到了求证并非为事实，却依然引起了广泛讨论。中国电子院其后澄清，虚假新闻照片不是光刻机，而是北京高能同步辐射光源（HEPS）项目，是国家“十三五”的重大科技基础设施。

一个煞有介事的谣言，能在国内网络广泛散播，最后竟需要中国电子院出面澄清辟谣，背后反映著中国社会对科技发展未来的焦虑，以及在芯片和光刻机层面被“卡脖子”忧心忡忡的社会心理。

光刻机是制造芯片的工具

了解事实应从基本概念开始。光刻是制造芯片的其中一项重要工序，而光刻机是芯片的制造装置。光刻又名微影制程，据龙头企业阿斯麦（ASML）台版官网最简洁的描述，是“用光将电路设计图微缩投印在硅芯片上—这是量产芯片时最重要的步骤”。

光刻系统本质上是一个投影系统，利用光线穿透印有电路图的光罩，在芯片上投印出电路设计图，而光罩上的电路图是实际芯片呈现图案的4倍大。透过光线投射出光罩上的图案，光刻系统中的光学器件会微缩，并将图案聚焦到感光的硅晶圆上。当图案投印完成后，系统会稍微移动晶圆，并在晶圆上进行另一次复制。

精密的光刻系统有助更精确投印更细致的电路设计图在硅晶圆上，从而有望制造更高阶的芯片。在中国大陆，上海微电子是国内龙头企业，国内市占率号称高达80%，机器主要售于中芯国际、海思半导这般的国内芯片制造商，旗下600系列光刻机是最精密的型号。消息指出，上海微电子现正着力研制能提高至28纳米的光刻机。

2022年5月，在真空室中进行的蔡司光学系统测试，该系统将用于ASML开发的最新光刻机中

在全球层面，荷兰的阿斯麦则占尽优势，它为台积电、英特尔、三星等国际芯片制造商提供机器。阿斯麦在14纳米制程以下高端制程的市占率近100%，且已可覆盖5纳米的制程，现更进一步向2纳米等更精密的制程迈进。

在芯片的制程中，数字越小，意味同等面积的芯片放置更多电路，制造出的芯片亦更为精密。电子装置配置这些先进芯片，运算能力更高，亦意味着能够以更少时间作更多运算。在光刻工序而言，数字越少，意味需更精确将更多电路设计路径投印至硅晶圆上，经过研磨、蚀刻等其他工序，最后形成精密的芯片。

两家在地球两侧的企业，有着共同的“祖先”。

缩小芯片是光刻技术的初心

谈及光刻技术前，我们需要了解芯片业发展的原动力，亦即削减成本、利润最大化。除了不断外包生产工序到发展中国家，技术层面的一大方向是不断缩小芯片的面积，让同等面积的硅晶圆能制造出更多、电路更细致的芯片。随着科技进步和芯片公司营利的追求，多年来芯片的体积持续下降—这就是我们耳熟能详的摩尔定律描述的趋势。

多年来，科学家不断分析、拆解、优化芯片制程的各个步骤，削尖了脑袋也要研究进一步缩小芯片的办法。然而，当制造的芯片面积越小，进一步缩小其面积的难度亦越来越大，最终光波也成为需要克服的难关，那就是光刻技术的科技革命时刻。

以往电晶体较大时，光刻机使用的光波长度无关紧要，不过，当芯片量度单位已踏入日常生活难以想象的微米（?m）甚至纳米（nm）阶段，数百纳米长的光波足以影响蚀刻电路的精度。

简单而言，光线的波长愈小，可刻在芯片上的细节愈多。在1990年代，当时的电晶体的量度单位已是数百纳米，研究人员开始努力寻找对硅晶圆曝光最好的光束。制造能运用这种光束的光刻机，在当时技术和资本要求已非常高。当年的光刻机龙头是日本的尼康和佳能，运用的技术是深紫外光（DUV），波长是肉眼看不见的248或193纳米。他们既生产芯片，也自行制造光刻机。

1992年，在英特尔工作的科学家卡拉瑟斯希望进一步研究更精密的光束，将更小波长的光线用于微影成像，于是向英特尔要求2亿美元的经费，开发波长仅为13.5纳米的极紫外光（EUV）技术。

英特尔的负责人经过商讨后，发现他们别无选择，只能提供经费。英特尔最终投入数十亿美元研发经费，再额外投资数十亿美元学习如何在芯片光刻中运用极紫外光。

EUV的光线接近X光线，而非介乎红色与紫色之间的可见光，这是肉眼看不到、波长极短的光。不同于一般的紫外光技术，EUV技术只能在低真空环境中运作，技术难度更高。

与日本芯片制造商迷恋“工匠精神”的路径不同，英特尔一直没有计划自行生产EUV设备，但它需要确保世上最少有一家顶尖光刻机公司能够生产EUV设备，让英特尔能继续蚀刻愈来愈微观的电路。

阿斯麦的崛起与EUV革命

这就迎来了当今光刻机龙头企业阿斯麦崛起的时刻。1984年，荷兰飞利浦将光刻技术部门分拆，成立阿斯麦。阿斯麦成立之初，正值芯片业低潮，公司管理层认为不可能自行制造整套系统，相反，应从世界各地采购多个供应商最顶尖的零件，从而组装最强的系统。

与当年的日本企业试图自行制造一切的做法完全相反，这种能兼采各家所长的供应链风险管理能力，成为阿斯麦的看家本领，为其日后开发EUV机台创造极大优势。

EUV技术不是阿斯麦或荷兰的创新，这是英特尔和六家美国芯片商，以及美国能源部国家实验室斥巨资开发的美国科研成果。这项研究成果需交由可信的公司，推动商业化、量产EUV机台。

当时美国本土的光刻机企业硅谷集团（SVG）技术落后，不堪大任。另一选项是日本厂商，不过上世纪80年代的日本企业与美国发生贸易纠纷，自然不可能充分信任对方。

阿斯麦作为荷兰公司，在1980年代的日美贸易纠纷中有着中立的地位，受美国政府和英特尔等美国芯片商信任，成为唯一选择。1990年代正值冷战结束，美国作为唯一超级大国意气风发，“历史终结论”盛行。部分美国参议员提出疑虑，EUV光刻机交由外国企业生产会危害国家安全，提出要不要拒绝阿斯麦收购美国光刻机企业等单边主义想法，这被美国社会和政界视为与全球化大势不符的落伍观点。

阿斯麦为消除美国戒心，除交出在美国本土设厂、采購美国零件等“投名状”外，更邀请英特尔、台积电、韩国三星成为股东。这是阿斯麦能获得美国科技“压箱宝”的一大原因，也为自己带来全球最顶尖的元件。

有利的国际政治、经济环境，配以能兼采各国顶尖零件的供应链管理能力，最终让阿斯麦成为光刻机的龙头。日本的尼康、佳能主动退出光刻机制造市场，加上阿斯麦在2001年成功收购美国唯一的光刻机公司SVG，让阿斯麦成为量产EUV光刻机的唯一希望—值得注意的是，至此离EUV光刻机量产尚有十多年。

2023年6月30日，上海，中国国际半导体设备制造展览会，参观者了解尼康光刻机

2022年7月，德国博世半导体工厂

阿斯麦的EUV机台不是真正的荷兰产品，“这些神奇的机台是许多国家的产物，没有一个国家能宣称自己拥有一切。”

全球协作芯片制造生态系统

阿斯麦第一台可运行的EUV面世前，英特尔、台积电、三星都直接投资在阿斯麦，阿斯麦亦明白EUV是风险极高但利润亦极高的项目，亦把所有资源押上开发机台。但当年，日本厂商尼康不相信EUV技术可行，看好阿斯麦的只有台积电。

2002年，时任台积电研发副总经理林本坚，发明出浸润式微影技术（Immersion Lithography），在镜头和晶圆之间注入水，光的波长在水中缩短，改变以往干式曝光的方法。阿斯麦与台积电一拍即合，2004年已造出第一台样机，先后夺下IBM和台积电等大客户的订单。

阿斯麦全球副总裁暨技术开发中心主任严涛南博士提及，台积电与阿斯麦组成的团队长期紧密合作，而阿斯麦为确保供应链稳固，亦不惜工本投资下游供应商。阿斯麦与合作伙伴历经二十多年的努力，已构成一个庞大的跨国生态系统，彼此早已是最亲密的战友。

值得一提是，飞利浦也是台积电成立之初的主要投资者，而台积电的芯片则按照飞利浦规格制造。这为阿斯麦创造了一个内建的光刻机市场，两家在地球两侧的企业，有着共同的“祖先”。台积电在1989年的一场大火，意外地为阿斯麦带来19部新光刻机的业务，这种协作关系持续30多年，直到今天。

今天，阿斯麦在官网大胆宣称：“ASML是全世界唯一采用极紫外光的微影设备制造商。”他们持续投入研发，着力克服控制EUV极紫外光光源，推动EUV系统商用化，更已发展下一代High-NA EUV平台，号称能力优于现有EUV平台高达70%。阿斯麦和EUV的成功延续了摩尔定律的发展，让3纳米等高端芯片制造成为可能。

集合全球最优解

回到芯片制造的讨论，使用EUV技术光刻机能够制造的芯片，远比DUV技术机台的产品精密。台积电、韩国三星能买到最顶尖的EUV光刻机，故能进行14纳米以下的先进制程，各凭实力制造3或5纳米的尖端芯片。

中国芯片制造商受限于荷兰政府的出口限制，不能买到最先进的EUV机台，只能用阿斯麦较低阶的机台，甚至国产的DUV机台，两者芯片制成品的版本落差不难想象。至于中国能否自行生产EUV机台，若仔细考察阿斯麦的案例，恐怕只是缘木求鱼。

诚如《芯片战争》作者克里斯·米勒所提及的，阿斯麦的EUV机台不是真正的荷兰产品，它的关键零件是来自美国加州的西盟、德国的蔡司和创浦，而科研技术来自美国德州、中国台湾。“这些神奇的机台是许多国家的产物，没有一个国家能宣称自己拥有一切。”这是作者一针见血的结论。

参考阿斯麦的发迹史，光刻机研发和制造是烧钱、烧脑且极耗光阴的玩意，不能急功近利，更不应成为浮夸的空谈。

“他山之石，可以攻玉”，科技发展尤是。全球化的时代中，科技发展应讲求与全球的精英合作，使用全世界最好的设备和零件，追求最优的解方，盲目的单干不应成为选项。日本30年前抱残守缺的“工匠精神”，使之与顶尖技术失之交臂，难道我们今天要重蹈覆辙吗？

责任编辑吴阳煜 wyy@nfcmag.com