EUV已經在過去10年裏成功證明了自己的價值，如今High-NA EUV已成新風潮，誰又能拿下最多的訂單，獲得未來的主動權呢？

　　EUV到底有多火，可能很多人沒有概念。

　　在光刻機巨頭ASML發布的2023年第三季度的報告中，EUV光刻機的預定額爲5億歐元，而到了第四季度，預定額陡然增加到了56億歐元，整整翻了十倍之多。

　　要知道，這部分訂購的光刻機大部分都不會在2024年內交付，至少要等到2025年，但包括台積電、三星和英特爾等巨頭依舊只能乖乖交錢买期貨，原因很簡單，就是ASML目前仍然是藍星上唯一一家能夠量產EUV光刻機的廠商。

　　對於半導體行業來說，技術領先就意味着能賺錢，而獨佔了EUV這一重要市場後，就意味着ASML能有源源不斷的收入：根據國外 MarketsandMarkets 的最新報告，EUV 光刻市場預計將從 2023 年的 94 億美元增至 2028 年的 253 億美元，2023-2028 年期間復合年增長率爲21.8 %。

　　作爲對比，ASML在2023年的總營收爲276億歐元，折合近300億美元，五年後，光是EUV就能撐起ASML現在大半年的營收，在可預見的未來，不管是3nm、2nm、1nm或是更先進制程，它們都需要用到ASML所生產的EUV光刻機，台積電這樣的代工廠賺得越多，ASML數錢就數得越开心。

　　問題來了，爲什么EUV能這么賺錢？

　　日本技術，被歐洲“偷走”

　　對於傳統的DUV，EUV的優勢是顯而易見的：

　　在生產方面，由於EUV光刻技術可以在單個芯片上封裝更多的晶體管，因此可以以更低的成本批量生產芯片；在性能方面，採用EUV光刻技術生產的芯片具有更強的處理能力，能耗更低，性能更高；在工藝方面，與多重圖案化相比，EUV 可減少掩模數量，打印更多的二維設計，從而在工藝簡化方面帶來巨大優勢；

　　對於有志於先進制程的晶圓廠來說，EUV具備極大的吸引力，但上述這幾個優勢，卻花費了數十年的時間，窮盡了無數人的努力，才終於來到我們面前。

　　EUV的故事，還要從20 世紀 80 年代中期的日本講起。

　　上世紀80年代的半導體光刻仍然依賴於汞燈，整個行業正在尋找更先進的光刻辦法，希望利用波長更短的光來延續摩爾定律，讓芯片的性能更進一步，而當時還在日本電報電話公司（NTT）供職的木下博夫，在工作時萌生了EUVL（極紫外光刻）的想法。

　　爲了實現EUVL，木下博夫开始尋找更短波長的 X 射线，但問題也逐步浮現，其中包括缺乏能夠聚焦 X 射线用於光刻的透鏡或鏡子。而在此時，他看到了 Jim Underwood 和 Troy Barbee的一篇論文，報告中描述了第一個波長爲 10 至 100 nm（我們現在稱爲 EUV）的多層反射鏡。

　　與掠射角反射鏡相比，多層反射鏡是一個巨大的進步，當時唯一可用於較短波長 X 射线的就是掠射角反射鏡，而多層反射鏡更進一步，爲 EUV 波長的光刻技術鋪好了道路。木下博夫成功實現了 EUV 中圖像的首次聚焦，並在 1986 年日本應用物理學會的一次會議上報告了他的成就。

　　與大部分人想象的不同，EUV的初次登場沒有鮮花沒有掌聲，迎來的卻是一片質疑， “不幸的是，觀衆對我的演講高度懷疑，” 木下博夫後來在一次有關 EUV 光刻技術出現的特邀演講中說道，“但是，我的信念沒有改變。”

　　木村博夫如今已被公認爲是EUV光刻技術的奠基人，當時的他大概沒想到，EUV光刻日後需要耗費三十多年時間、數十億美元資金以及數千名工程師和科學家的努力來實現落地，最終成爲摩爾定律的最堅定的捍衛者。

　　雖然NTT 不看好EUV，選擇押寶在其他光刻技術，但公司本身並沒有阻止木村的研究，1993 年，木村組織了一次有關EUV技術的美日會議，吸引了約 50 名研究人員參加，並由此建立了兩國之間在EUV光刻技術上的聯系。

　　“摩爾定律遇到了麻煩，”伯克利國家實驗室的David Attwood說，“英特爾指望走在摩爾定律的最前沿，以高價銷售其產品。” 當時193 nm 氟化氬激光器已經开始用於光刻技術的开發，但DUV（深紫外光）光刻技術似乎已經走到了盡頭，對於英特爾來說，無法繼續縮小芯片幾何尺寸，就意味着芯片性能難以繼續提升，也意味着半導體行業發展的停滯，整個業界都對未來感到焦慮不安。

　　轉折點出現在英特爾研究總監John Carruthers身上，他對英特爾未來的選擇進行了審視，並得出結論，想要摩爾定律延續的唯一途徑，就是在一個全行業項目上投入十億美元，來开發EUV光刻這項技術。

　　當John Carruthers向英特爾高層提出這一方案時，安迪·格魯夫（Andy Grove）憤怒地拍着桌子，但戈登·摩爾（Gordon Moore）卻頗感興趣，最終讓格魯夫也按下了同意投資的按鈕。

　　這位摩爾定律的提出者在一次行業會議上宣布：“英特爾來了……我們正在下注，我們希望您加入我們。”

　　這一呼籲取得了成功。1997 年，英特爾、摩托羅拉和 AMD 等長期競爭對手認識到威脅的嚴重性，聯合成立了 Extreme Ultraviolet LLC，开發新一代光刻技術，該聯盟與美國能源部合作，开始在伯克利實驗室、勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室和桑迪亞國家實驗室展开研究。

　　將光刻技術轉向 EUV 不僅需要新的光源，還需要新的光學器件和光學塗層、光刻膠、測量工具和納米級精度，DUV的技術積累似乎在EUV上毫無用處，經過數輪的評級比較，最初被評爲最後一名的激光產生的錫等離子體源成爲了首選。

　　到 2000 年代中期，研究人員展示了由二氧化碳激光器泵浦的錫等離子體源，但其功率有限，幾年來輸出功率一直停留在數瓦特的範圍內。直到2013 年，加利福尼亞州的 Cymer 公司報告稱，通過在主脈衝之前用預脈衝擊中錫，可以將將 EUV 功率提升到 10 瓦以上，雖然還遠遠不能滿足生產要求，但頗具先進之明的 ASML公司於當年5月收購了Cymer，並开始投入資金加速EUV光刻技術的研發。

　　光學要求也是一大難點。EUV光刻機將電路掩膜的圖像以所需的納米分辨率投射到硅表面，需要十幾個獨立的反射鏡，而這裏唯一的選擇就是多層反射鏡，這種反射鏡的四分之一波層比 4 nm還薄，且必須保持一致，才能達到生產芯片所需的精度。

　　爲了完成EUV光刻機的开發，ASML又與蔡司花費了 20 年時間合作开發這套復雜光學器件。“將專利概念變成現實需要做大量的工作，”Erik Loopstra 說道，他與 Vadim Banine 一起領導了ASML與蔡司的聯合研發團隊，“自由曲面光學器件將 EUV 光沿着 10米長的光路聚焦到納米級光斑，這就像在月球上打高爾夫球一樣，而測量是完成任務的關鍵，一切你能測量的東西，都可以制造。”

　　2011年7月，ASML/IMEC完成對EUV原型機/概念機的各種內部驗證後，第一台研發型EUV光刻機（NXE3100）通過專門的大型貨運飛機抵達台積電位於新竹科技園區的研發基地；2013年，ASML交付給了台積電第二台的改進後的EUV光刻機（NXE3300）；2016年1月，ASML交付給了台積電接近最後一款改進型的EUV光刻機型號（NXE3350）……

　　伴隨着光源和光學問題的解決，EUV光刻機終於從ASML的工廠走向各大晶圓廠，從試驗原型變爲量產版本，2019 年，首款採用 EUV 光刻技術的商用產品發布（三星 Galaxy Note10系列），如今的旗艦手機均仰賴於EUV光刻的使用。

　　2020 年 12 月，ASML 慶祝了 EUV 系統的第 100 次出貨，而截至 2021 年底，全球有 127 台最新一代的 EUV 機器在客戶處投入使用，ASML的技術高級副總裁 Jos Benschop表示：“我曾經天真地說EUV 會在 2006 年量產，最終它晚了 13 年，但許多人認爲這個東西永遠不會存在。”

　　時間撥回到上世紀80年代，大概沒人會相信，那位日本工程師的技術創想，會在三十多年後扎根在歐洲荷蘭，成爲了全世界半導體延續摩爾定律的關鍵呢？

　　High NA爭奪战

　　EUV的熱銷並不意味着技術的停滯，而是意味着新一輪的技術發展。

　　目前ASML的EUV光刻機的光源波長在13.5nm左右，物鏡的NA數值孔徑是0.33，NA是光學系統的數值孔徑，表示光线的入射角度，使用更大的NA透鏡可以打印出更小的結構，對於2nm甚至是更先進的制程來說，0.33的NA已經不太夠用了。

　　正在路上的第二代EUV光刻機EXE則做了重大改進：其物鏡的NA將提升到0.55，也就是所謂的High NA EUV，進一步提高了光刻精度，ASML表示，與 NXE 一樣，EXE同樣用到了 EUV，但新平台能夠讓芯片尺寸減小1.7倍，並將晶體管密度提高2.8倍。

　　ASML也詳細講述了新機器的幾大好處。

　　成像更清晰。EXE 採用了變形光學的巧妙設計，該系統的鏡子不是均勻地縮小正在打印的圖案，而是在一個方向上將其縮小 4 倍，在另一個方向上縮小 8 倍。該解決方案減少了光线照射十字线的角度並避免了反射問題。重要的是，它還允許芯片制造商繼續使用傳統尺寸的掩模版，從而最大限度地減少了新技術對半導體生態系統的影響。

　　更高的生產效率。而後EXE採用了更快的晶圓和掩模版台， EXE 系統中的晶圓台加速至 8g，是 NXE 晶圓台速度的兩倍，EXE 的十字线階段的加速速度是 NXE 的四倍，也就是32g，其相當於一輛賽車在 0.09 秒內從 0 加速到 100 公裏/小時。

　　更簡單的制造工藝。EXE的 CD 爲 8 nm，使芯片制造商能夠簡化其制造流程，也能更經濟高效地生產先進微芯片。

　　更快的投產。ASML盡可能多地重復使用現有的 EUV 技術，並且僅更改提供系統分辨率和生產力增強所需的方面。EXE 系統由可以在集成到完整系統之前進行獨立測試的模塊組成。這些模塊簡化了系統的安裝和集成到客戶晶圓廠的過程，客戶將在 2024 年至 2025 年开始研發，並在 2025 年至 2026 年進入大批量生產。

　　更優秀的芯片，EXE的 8 nm 分辨率意味着廠商可以將更多晶體管封裝到單個芯片中，這也就意味着芯片將能夠用更少的資源做更多的事情，用相同的面積，實現更強的性能與更優的功耗。

　　既然High NA這么好，那么現在大家應該都在瘋狂給ASML下訂單才對，但事實情況並非如此，目前能有魄力向ASML下High-NA EUV 光刻機訂單的，除了研究機構外，有且只有三家，分別是台積電、英特爾和三星。

　　其中，英特爾在High-NA EUV上表現得尤爲熱衷，據Trendforce 稱，英特爾將獲得可能於 2024 年發貨的 10 台High NA ASML 工具中的 6 台，且還有消息指出，英特爾將獲得第一台High NA EUV光刻機。

　　三星也有明確意向採用High-NA EUV，副董事長 Kyung Kye-hyun 表示“三星已經獲得了High NA 設備技術的優先權”，最近ASML還宣布於韓國投資 7.55 億美元，第二台High-NA EUV有很大可能花落三星。

　　目前擁有最多EUV光刻機的台積電卻好像慢了半拍，台積電於 2022 年底开始量產 3 納米芯片，並計劃於 2025 年开始量產 2 納米芯片，但在High-NA EUV上，目前沒有一個明確的布局，SemiAnalysis 的分析師甚至表示台積電要到 2030 年之後才會真正开始採用High-NA EUV。

　　這是出了什么問題，難道在台積電看來，High-NA EUV還不夠先進嗎？

　　答案可能和很多人想的不一樣，其實還是High-NA EUV太貴了，High-NA EUV 光刻機的價格將介於3.5 億至 4 億美元，作爲對比，目前熱銷的EUV 光刻機單價爲1.5 億至2 億美元，翻了兩倍有余，即使是不吝嗇於投資的台積電也出現了動搖。

　　實際上，台積電早期愿意購入 ASML 的 EUV 光刻機，很大程度是因爲拿到了蘋果的部分補貼，當時蘋果正在將其生產從三星轉移出去，需要台積電來大規模代工其芯片，而在蘋果介入之前，台積電並不是很愿意採用這項昂貴的技術。

　　如今蘋果就沒有當初那么大方了，有傳言稱，這家科技巨頭不會爲代工廠的High-NA EUV升級买單，沒了大老板买單，做小弟的也就不急着自己掏腰包了。

　　台積電作爲一家代工廠，升級設備的驅動力並非來自於自身，而是大客戶的需求，這一點極大程度上影響了台積電對於技術升級的選擇，包括CoWoS的最初遇冷後，台積電改換包裝，推出扇出型晶圓級封裝（InFO FOWLP），讓蘋果爲自己的先進封裝买單，如今台積電何時上馬High-NA EUV，恐怕還得看蘋果在2nm之後自研芯片的進度。

　　而英特爾的熱衷，自然是因爲在EUV上喫過的虧，台積電正是因爲ASML的EUV光刻機的幫助，才在16nm後反超英特爾，至今依舊保持着制程上的領先，正在大力推行IDM 2.0的英特爾，自然不會放過來之不易的機會。

　　而從另一種角度來說，台積電可能還需要看蘋果的臉色喫飯，作爲代工廠，它本身的資本也足夠雄厚，但它不能自己造芯片來賣，正所謂得也代工，失也代工，如果用上了新技術，但卻沒有客戶愿意多花錢，那不就是自己虧本嗎？向來追求平穩本分的台積電，肯定是不愿意冒這個險的。

　　而英特爾就沒有那么多顧忌，自家早已畫好了路线圖，從Intel 7到Intel 4再到Intel 3，最後進入到20A和18A，只要英特爾還在設計新處理器，那晶圓廠就永遠不愁訂單，最終买單的實際上是龐大的消費者、企業和機構，相較於背靠一兩位“大款”的台積電，英特爾顯然更有底氣去下High-NA EUV的訂單。

　　今年1月5日，英特爾表示已經收到了ASML High-NA EUV光刻機的主要組件，光是運輸它就需要 13 個卡車大小的集裝箱和 250 個板條箱，而組裝完成後，這台設備會達到 3 層樓的高度，英特爾甚至還要擴建現有的晶圓廠來容納這個龐然大物。

　　在High-NA這場角力中，英特爾無疑是佔據了上風。

　　誰是未來？

　　ASML 早在 2022 年就宣布，會在 2027 年至 2028 年期間每年生產 20 台High-NA EUV 光刻工具，今年早些時候還透露，其High-NA EUV積壓訂單的數量達到兩位數，其認爲High-NA EUV會逐步替代EUV成爲主流，成爲更多廠商的選擇。

　　但有一部分研究機構的分析師提出了質疑，他們表示，至少對於一些芯片制造商來說，使用該公司的下一代High-NA EUV幾乎沒有經濟意義，意指台積電未第一時間採用High-NA EUV光刻機這件事。

　　ASML當然不會坐視，很快對該觀點進行了反駁，在接受Bits and Chips採訪時，ASML首席財務官表示，High-NA 正在步入正軌且健康發展，分析師低估了其收益，ASML 首席執行官也在財報電話會議上表示，新技術“顯然是邏輯和內存方面最具成本效益的解決方案”。

　　爲什么ASML這么有底氣，主要還是EUV目前的瓶頸。台積電在最新的N3B工藝裏，爲了繼續提升晶體管密度，只能在低孔徑光刻機上使用雙重曝光的方法，這不是台積電第一次這么做了，在7nm節點上，台積電就曾使用過DUV的雙重曝光，如今又在EUV上如法炮制。

　　ASML 認爲，採用雙重曝光會帶來某些缺點，如生產時間更長，良率更低，甚至可能影響芯片的性能，而EXE：5000 的 8 nm關鍵尺寸 （CD），讓芯片制造商可以簡化其制造流程，徹底彌補上述這些缺點。

　　考慮到此前曝出蘋果與台積電的祕密協定，即3nm節點上，蘋果不會按照標准的晶圓價格付費，僅向台積電支付合格芯片的費用，其良率多半是不容樂觀，ASML的說法也不無道理。

　　沒有太多過往包袱的英特爾，已經大步邁向High-NA，而擁有最多EUV光刻機的台積電，它的面前出現了一道兩難選擇題，是選擇一勞永逸去掉雙重曝光的步驟，現在就多花成本买入新光刻機？還是先忍一忍低良率和低生產率，將就着用現在的光刻機？

　　EUV已經在過去10年裏成功證明了自己的價值，如今High-NA EUV已成新風潮，誰又能拿下最多的訂單，獲得未來的主動權呢？

　　本文來源：半導體行業觀察 （ID：icbank），原文標題：《EUV光刻，終成主角！》。

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責任編輯：馬夢斐

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標題：EUV光刻，終成主角！

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