撰稿 ｜王梓沁

編輯｜陳茜

8月6日， 的話題沖上熱搜第一，大家再次把視野聚焦到了芯片制造行業(yè)。而這個行業(yè)中絕對繞不開的話題就是光刻機，以及制造它的王者阿斯麥（ASML）。

近年來不斷有人提出疑問，芯片制造觸碰到了物理極限了嗎？為什么技術(shù)進步如此緩慢？而人類會被鎖死在1nm嗎？

這期視頻，我們將從技術(shù)角度，詳細聊聊光刻機的現(xiàn)狀與未來。

作為世界上最賺錢的機器，它的核心部件，全球僅有兩人能手工維護；更離奇的是，只需幾個“屁”，就能讓這臺價值數(shù)億美元的機器，減產(chǎn)幾小時。

ASML新一代High-NA EUV光刻機造價飆升，英特爾搶先入手，臺積電又為何卻猶豫不決？早就拿到了High-NA EUV的英特爾，為何依然沒有量產(chǎn)2nm以下的芯片？

而不怎么知名的日本廠商Rapidus又為何開始了2nm的試產(chǎn)？光刻機又將如何突破物理與成本的“雙重圍剿”？

AI如何成為它進化的“新燃料”？而善于制造精密機器的ASML，又為何多次因“低級疏忽”導致股價大跌呢？

（本文為視頻改寫，歡迎大家收看以下視頻）

01

拆解光刻技術(shù)鎖死芯片命門的物理咒語

拆開一臺DUV光刻機，就會發(fā)現(xiàn)其實光刻的原理非常簡單。

首先是光源（Source）模組，負責發(fā)射波長很短的光，穿過印有芯片電路圖的掩膜版（Mask）、光瞳（Pupil）以及一組碩大的透鏡組，將掩膜版上的圖像，等比縮小打到涂有光刻膠的晶圓（Wafer）上，這就完成了一次光刻。

這個過程就像我們小時候的一種玩具，在激光筆前面加一個刻有圖像的透鏡，就能打出成倍放大的相同圖像。在光刻機中光路則是反過來、成倍縮小的。

當然芯片制造的流程遠不止光刻這一步，光刻膠被照射后會硬化，后續(xù)還要經(jīng)過顯影、刻蝕、光刻膠去除、離子注入、薄膜沉積等步驟才能成為芯片。

芯片是由晶體管構(gòu)成，同樣面積下晶體管越多，芯片性能也就越強。而光刻機的分辨率越高，就能打印出更小的電路圖。

在ASML各地辦公室的墻上，你都可以看到這樣一條公式：CD等于K1乘以λ除以NA，這就是瑞利判據(jù)（Rayleigh Criterion），決定了光刻機的分辨率上限，也意味著要縮小芯片制程，要么降低K1和λ、要么提高NA。

02

光的波

大家經(jīng)常聽到的“EUV”、“DUV”光刻機，是按照使用光源的波長來分類的。上一代光刻機采用深紫外光（DUV），如今最尖端的使用了極紫外光（EUV）。

接下來我們看看EUV是如何產(chǎn)生的。

Chapter 2.1 LPP技術(shù)：每秒十萬次轟擊

注意看，這條細細的線，其實并不是一根線，而是以每秒5萬顆速度噴出的錫滴，每顆錫滴大小為30微米，只有頭發(fā)絲的一半。

噴出這些錫滴的噴嘴經(jīng)常會被堵塞，而要更換噴嘴，需要將兩根幾乎看不見的線，精細地纏繞在噴嘴處，這個過程無法使用任何機器，全球只有兩個人可以手工完成，其中一人名為Joann。所以有這么一句話，“與Joann握手時，請務(wù)必小心！”。

這個噴出錫滴的裝置，就是ASML EUV光刻機的光源模塊。光源模塊可以說是光刻機中最核心的部件，如何“穩(wěn)定”且“高功率”獲得波長更短的光，就是光刻機進步的挑戰(zhàn)之一。我們先來看看ASML是如何產(chǎn)生極紫外光的。

他們首先將高純度的液態(tài)錫，利用惰性氣體施壓，噴出成錫滴，也就是我們前面看到的“細線”，然后先用能量較低的激光轟擊，將錫滴打成餅狀，再用高能量的激光轟擊錫餅，形成等離子體，此時就會輻射極紫外光，再通過收集鏡捕獲，傳遞到掩膜版和鏡片組。

但每次操作只能產(chǎn)生零點零幾秒的光，所以才有了我們前面提到的，每秒需要噴出5萬顆錫滴，同時激光要完成10萬次打靶，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的EUV光源。這被稱為激光等離子體光源，簡稱LPP（Laser-Produced Plasma）。

雖然EUV光刻機2019年才正式投入商業(yè)量產(chǎn)，但ASML第一代EUV光刻機早在2010年就生產(chǎn)出來了，而當時無法投入量產(chǎn)的原因就在于，光源部分的功率不足，只有不到10W，這就會導致每顆芯片需要曝光的時間更長，最終每小時只能生產(chǎn)5到10顆芯片。

直到2017年7月，EUV光源功率達到了250W，才得以推動EUV光刻機的商業(yè)化，到2023年時，ASML的光源功率提升到了600W，如今正在攻克1000W的目標。

這也意味著目前的EUV光源還會使用很多年，短期內(nèi)要降低芯片的制程，不會從光源入手。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： 大家一般是不喜歡變光源的波長，因為光源的波長不只是跟光刻機有關(guān)。曝光了之后，相當于要去做顯影，然后才能把圖案做出來，針對不同光的波長的（Photo）Resist（光刻膠），其實它是完全不一樣，實在沒有辦法了，再換下一個光源。但是一個光源，一個波長的話會持續(xù)很多代，（EUV光源）至少會（用）到2035年到2040年。

Chapter 2.2DPP、LDP、SRS、FEL等其他技術(shù)

除了ASML，市場中的其它玩家也在想辦法攻克極紫外光的生產(chǎn)。

比如今年3月，中科院上海光機所就公布了一項研究，稱可以在ASML采用的LPP方案中，利用固體激光器替換原有的二氧化碳激光器，同時將液態(tài)的錫滴替換為固體錫，由此可以縮小光源結(jié)構(gòu)并增大輸出功率。

除了LPP外，還有DPP、LDP、SRS、FEL等方案，具體細節(jié)我們就不深入了。有消息稱，華為東莞工廠正在測試基于LDP的EUV光刻系統(tǒng)，不過初期光源功率只有80W，計劃于2025年第三季度進行試生產(chǎn)。

總結(jié)一下，EUV光源的演進非常具有挑戰(zhàn)，預(yù)計還會持續(xù)多年的情況下，目前提升光刻機精度的手段，就要落在數(shù)值孔徑NA上了。

03

數(shù)值孔徑NA

“對不起，你得把內(nèi)褲也脫掉?！?/p>

如果你在蔡司的無塵室里聽到這句話，可千萬別當成一句玩笑，因為在進入前，不僅要穿上無塵服，而且內(nèi)衣也必須換成無纖維的。

這些嚴格的清潔措施，是為了確保高數(shù)值孔徑（High-NA）透鏡生產(chǎn)時的無塵環(huán)境，因為精度要求太高了，容不得一點灰塵。

Cathy 光學工程師： 把一個30厘米尺寸（的透鏡），如果你想象它放大到德國這么大，它的表面不平整度就只有一個足球這么大，這就是從一個宏觀的角度來如何理解它的不平整性。

為什么High-NA透鏡的精度要求如此高呢？在解析High-NA之前，我們先來解釋下，數(shù)值孔徑NA、與High-NA是什么。

Chapter 3.1 NA與透鏡組：最接近“水滴”的人造物

在DUV光刻機的結(jié)構(gòu)中，光線要通過一組碩大的透鏡組，才會打到晶圓上，NA表示這些透鏡收集光線的能力。

假設(shè)這里有一塊凸透鏡，當一束光進入凸透鏡時，光路會改變，所以凸透鏡能聚焦光線，提高亮度或者光的能量。但如果光的射入角度過大，凸透鏡將無法完成這個角度光線的折射。

所以要提升NA值，要么在焦距不變的情況下，把凸透鏡面積做得更大，要么增加凸透鏡的曲率，也就是變得更厚。

你可能會疑惑，既然一個凸透鏡就能完成光線的聚焦，為什么光刻機中需要那么多透鏡呢？簡單來說，因為球面鏡存在像場彎曲的現(xiàn)象，導致成像打到晶圓上時會被扭曲。

另外還會存在各種像散、畸變、慧差等問題，所以需要加入各種透鏡來補償畫面，將一片曲率大的透鏡分成多個曲率更小的透鏡，減小光學系統(tǒng)的誤差，這就形成了碩大的透鏡組。

相機鏡頭的原理也和光刻機類似，有句玩笑話說“攝像窮三代”，大家的錢主要獻給了這些復雜的鏡頭設(shè)計了。

但到了EUV光刻機上，結(jié)構(gòu)就不太一樣了，由透鏡變成了反射鏡。主要原因就在于，EUV光線會被其他介質(zhì)吸收，這時不論是透鏡還是水都用不上了。

Cathy 光學工程師： EUV光刻機的透鏡用的不是傳統(tǒng)的透鏡，而是反射鏡，反射鏡也不像是傳統(tǒng)的大家熟悉的鏡子去做金的鍍膜，而是用一種叫做布拉格反射的技術(shù)。布拉格反射的原理其實就像一個衍射光柵，衍射光柵的原理跟蝴蝶的翅膀非常像，它是有很多微小的結(jié)構(gòu)在上面。然后當光打上去的時候，如果光波的波長對的話，它就會從特定的角度反射出來，它的表面的光滑度要到一個納米以下，就是一個原子尺寸的一個精度。

所以到了EUV光刻機上，要增加NA值，就得把這樣一塊光滑得像《三體》中“水滴”的反射鏡做得更大。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： 那你說這個東西能不能再做得更大呢？實際上做到差不多兩米，就差不多到極限了。它的（表面）平整度現(xiàn)在已經(jīng)到一個原子了，從這個角度來講的話，它基本上是已經(jīng)沒辦法做大了。

有趣的是，在其他業(yè)內(nèi)人士看來，相比其他部件，制造更高NA的透鏡都不算難事兒，那High-NA EUV遇到的真正挑戰(zhàn)是什么？為什么英特爾搶先訂購了兩臺，而臺積電卻猶豫了很久？

Chapter 3.2 High-NAEUV：變形鏡片

2014年，ASML參加了硅谷的一個技術(shù)展示會，展出了初代的EUV光刻機實驗品。不幸的是，由于光源功率不足，展示過程非常失敗，這樣的結(jié)果一度讓臺積電對EUV光刻機的信心降至冰點，同時美國分析師也嘲諷道“摩爾定律已死”。

然而就在同一時間，第二代EUV光刻機，也就是High-NA的研發(fā)工作卻已經(jīng)開始了。為什么第一代EUV還沒準備好時，High-NA就開始研發(fā)了呢？

Cathy 光學工程師： 當他們設(shè)計（第一代）EUV的時候，大家很顯然地說是會排列一下，說哪些是技術(shù)難點。最開始肯定的是光學非常困難，因為光的波長也換了，極紫外光非常地不好控制，所以光學系統(tǒng)一定是最難的，然后可能是掩膜比較難做，然后可能是材料比較難做，然后最后就是光源。 但是事實上蔡司很早就把第一個事情來解決了，他們以為是很難的東西，并不是最難的東西。最后發(fā)現(xiàn)光源沒有一個很好的方案。

來源：zeiss

第一代EUV還在解決光源問題時，蔡司早早地就解決了透鏡難題，轉(zhuǎn)而去研發(fā)第二代High-NA了，那為什么ASML不一開始就用更大的NA呢？

Cathy 光學工程師： 舉例來說，光刻機基本的概念是把它的掩膜，進行一個縮小倍數(shù)。他們之所以沒有選擇一個更大的（NA）參數(shù)去做，并不是說光學系統(tǒng)本身做不到，而是如果當它的（NA）倍數(shù)過大的時候，（掩膜圖案）它縮小得過于小，會引起其他一些系統(tǒng)參數(shù)的下降。如果它的放大倍數(shù)過大的時候，或者說它的NA相差過大的時候，它的景深變得過小，那么當它芯片的上下有一點點波動，放置的位置有一點波動，或者光刻膠的厚度比較厚的時候，它會造成高一點和低一點的地方得到的效果不一樣，這就會造成系統(tǒng)其他級別的誤差。

同時NA和它的放大倍數(shù)有關(guān)，如果它的放大倍數(shù)過大的話，它每次只能刻一點點芯片，那么它刻完整個Wafer（晶圓）的時候，它需要的時間就非常多。導致客戶需要更多的時間來完成這些芯片，每個芯片的成本也就更高。 EUV還有一些其他的效果，比如說它的（反射）角度過大的時候， NA過大的時候，光學的偏振效應(yīng)會顯現(xiàn)出來，這也需要再有后期的correction（矯正）。但是當有太多的東西需要補償?shù)臅r候，大家就會說那可能還是以前不是那么大的NA比較好一些。

還有一個原因，就是High-NA需要預(yù)計至少500W的光源，所以ASML一直在等待光源功率的提升。

簡單總結(jié)下，提升NA后，會導致縮放的倍數(shù)更大，也就是打到晶圓上的圖案更小，這就會降低光刻速度，同時也會引起其他參數(shù)的改變，反而需要花更多精力修正回來。

那么High-NA EUV是如何提升的NA呢？這就要說到“變形鏡頭”Anamorphic Optics。

變形鏡頭是水平與垂直方向具有不同放大率的透鏡組合，比如在水平方向上壓縮8倍，提高有效分辨率，在垂直方向只壓縮4倍，來補償景深損失，降低光刻膠不平整度帶來的誤差。

這樣就相當于把一個正方形圖案，壓縮成了長方形，所以它被稱為“變形”鏡頭。

Cathy 光學工程師： 在電影行業(yè)里面，其實現(xiàn)在是非常廣地在使用Anamorphic Optics（變形鏡頭）的原理。

ASML官方宣稱，High-NA相比第一代的Low-NA EUV，將光刻機的CD從13nm降低到了8nm，打印的晶體管大小可以縮小1.7倍，讓芯片制程推進到2nm的節(jié)點。

早在2023年12月，ASML就向英特爾交付了全球第一臺High-NA EUV光刻機，后來第二臺也被英特爾收入囊中。

英特爾對High-NA EUV非常積極，但全球第一的芯片代工廠臺積電卻猶豫了。其中最大的原因呢，還是在于“錢”。

由于High-NA EUV光刻機的設(shè)計更復雜，價格自然也水漲船高。第一代Low-NA EUV價格為2億歐元，但到了High-NA上，價格來到了3.5億歐元，也就是漲價了75%。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： 它一下子比以前貴了很多，這是一個原因，另外一個原因就是，它的（光刻）效率反而是變低了。 雖然它（ASML）說它的（晶圓工臺）移動的速度是變快了，但也沒有變快兩倍。所以最后就變成，你還要去考慮這兩個Mask（掩膜板）怎么把它最后的芯片，能夠接的時候接得不錯，而且這兩個Mask（掩膜板）還要相互換，所以這是一個比較大的問題。

Intel就說那我們要把這Mask（掩膜版）做成一個（長方形），不是原來那個方的了，讓它可以一次印出來。但是至少目前整個行業(yè)對此還沒有形成一個共識，所以還不知道是什么時候的事情。那這樣的話臺積電就覺得（High-NA）這個東西花費太多，它的收益沒那么好。它如果不用High-NA的話，它就去做（Low-NA）EUV的Double Patterning（雙重曝光），或是Triple Patterning（三重曝光），分辨率的提高實際上更大。所以就是各自有各自的考量。

由于High-NA EUV采用了變形鏡頭后，反而使光刻的效率下降了，再加上目前行業(yè)對于如何使用High-NA還沒有達成共識，而且第一代的Low-NA EUV也能通過多重曝光，來生產(chǎn)2nm芯片，因此臺積電對是否訂購High-NA非常猶豫。

不過猶豫歸猶豫，High-NA EUV依然是下一代光刻不可或缺的設(shè)備。所以我們看到，臺積電在2024年下半年依然決定下單了。

可既然英特爾早在1年半前就拿到了High-NA EUV，為什么如今還沒能正式量產(chǎn)2nm以下的芯片呢？

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： Intel它這次的話確實比較激進，所以它在這個機器還沒有完全ready的時候，它就把這個機器拿進來了，因為High-NA的機器它現(xiàn)在不是說在ASML的工廠里邊裝好了，然后拆了再過來，現(xiàn)在是每一個它的component（零部件），都是直接從它（ASML）原來的供應(yīng)商那就直接到了Intel，然后在這第一次把它組裝。所以從它的調(diào)試的進度來看的話，它其實還是挺快的。

今年的5月中旬，英特爾宣布其18A制程，也就是1.8nm，進入了風險試產(chǎn)階段，我們也會繼續(xù)關(guān)注后續(xù)進展。

Chapter 3.3 Hyper-NA EUV：芯片行業(yè)的回光返照

雖然High-NA還沒能正式用于量產(chǎn)芯片，但ASML已經(jīng)在2024年6月，提出了下一代的EUV光刻機，那就是NA值提升到0.75的Hyper-NA EUV，預(yù)計將于2030年面世。

就像我們前面說到的一樣，提升了NA值后，會導致光刻機的焦點過小，這也對系統(tǒng)的其他部件提出了更高的挑戰(zhàn)。

比如與ASML合作開發(fā)光刻機的Imec先進圖案化項目總監(jiān)Kurt Ronse表示，在High-NA時，就已經(jīng)將晶圓上的光刻膠涂抹的更薄了，到Hyper-NA時，如何涂抹光刻膠也將會是更大的挑戰(zhàn)。

在采訪嘉賓看來，Hyper-NA距離實際應(yīng)用還太遙遠，接下來十年內(nèi)，光刻機的重點依然是High-NA。

Cathy 光學工程師： 每一代的NA，因為它是和其他系統(tǒng)參數(shù)平衡的結(jié)果，所以每一代的NA都是至少是持續(xù)十年的。我們可以認為現(xiàn)在這樣一個0.55的（High）NA應(yīng)該是接下來幾年主要統(tǒng)治的方向。

不過對于Hyper-NA真正的挑戰(zhàn)并不是技術(shù)難題，而是商業(yè)難題。

Marc Hijink 《新鹿特丹商報》(NRC Handelsblad）記者 著有《芯片制造——光刻巨頭ASML傳奇之路》： 一如既往地，這些設(shè)備可能非常昂貴。而對相關(guān)行業(yè)而言，關(guān)鍵在于它們只能購買能真正創(chuàng)造附加值的設(shè)備。因此這些設(shè)備必須具備經(jīng)濟可行性，而這正是ASML當前研究的課題。

根據(jù)預(yù)測，Hyper-NA EUV的造價可能會達到6億多美元，但相比High-NA能將CD降低到8nm，Hyper-NA僅能降低到6nm，臺積電連3.8億美元的High-NA都嫌貴，那Hyper-NA是否還會有市場？或者說是否有必要呢？

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： 我覺得還會有市場。這個問題實際上在幾年前的時候，半導體（行業(yè)）大家還是挺疑慮的，因為那個時候大家認為平板電腦或者是筆記本電腦，已經(jīng)跑得足夠快了，沒必要再往下做了，但是AI就出來了。 當你有了大模型之后，GPU的算力什么之類的是遠遠不夠的?，F(xiàn)在它能夠把它（GPU）賣3萬美金、4萬美金，而且還是供不應(yīng)求，這就說明它（芯片）能夠產(chǎn)生的價值，是遠遠大于它的成本。 所以我覺得現(xiàn)在，在大模型出來之后的話，半導體確實又從我們以前的很多年都覺得是個夕陽產(chǎn)業(yè)，然后現(xiàn)在變成了一個非常朝陽的產(chǎn)業(yè)了，還有很多很多事情要做。

我們簡單總結(jié)下，目前最尖端的High-NA EUV預(yù)計今年下半年用于芯片量產(chǎn)，并將主導光刻機行業(yè)十年左右。雖然下一代Hyper-NA的成本暴漲，但隨著AI的發(fā)展，芯片行業(yè)似乎又回到了朝陽產(chǎn)業(yè)。而AI不僅帶動了芯片的需求，甚至還推動了光刻機的進步。

04

工藝因子K1與計算光刻

Chapter 4.1精密制造：“屁大點事”帶來的生產(chǎn)災(zāi)難

過去，在英特爾亞利桑那州的一個工廠內(nèi)，每到夜深人靜時，光刻機的產(chǎn)量總會莫名其妙下降幾小時，這段時間內(nèi)，工廠幾乎無人操作，唯一的改變，就是工廠外會刮起一陣風。

聽上去是不是非常玄學？研究人員經(jīng)過長時間排查，最后發(fā)現(xiàn)原因竟然是“屁大點事”。

原來這個工廠附近有一家奶牛場，每到凌晨1點時，風向會發(fā)生改變，將奶牛們放的屁吹到工廠里，由于屁中含有甲烷，會通過空氣凈化器進入無塵室，最后導致了芯片生產(chǎn)時良率降低。

Marc Hijink 《新鹿特丹商報》(NRC Handelsblad）記者 著有《芯片制造——光刻巨頭ASML傳奇之路》： 所以英特爾只有一次機會，他們不得不收購周邊的奶牛場，以排除潛在問題。因此，必須借助軟件來預(yù)測那些微小的偏差，并確保機器的穩(wěn)定運行。 畢竟對ASML來說，預(yù)判設(shè)備日常運行狀態(tài)至關(guān)重要，因為半導體制造系統(tǒng)的脆弱程度遠超常人想象。

任何一點參數(shù)的改變，都會影響光刻機的生產(chǎn)。所以近年來，ASML也開始利用AI來提升光刻機的生產(chǎn)精度。

對芯片制程影響最大的外部因素，就是工藝因子K1，代表的是掩模、光源、光阻等各環(huán)節(jié)的成像性能和工藝復雜度。K1 越小，表示工藝提升越多、CD越小。

而目前K1最大的提升點，就在于光瞳與掩膜板，由此誕生了“計算光刻”（computational lithography）。

Chapter 4.2計算光刻：用假圖案刻出真芯片？

我們先來了解下，為什么會需要計算光刻。在光刻機中，光線會將掩膜版上的電路圖給打到晶圓上，但如果直接將最終的電路刻在掩膜版上，成像的畫面可能會模糊不清。

這個原因其實大家在高中物理課上就學過。如果讓光穿過一個非常狹窄的縫，它就會觸發(fā)“波”的特性，向四周“散開”，進入原本照不到的地方，這就叫做衍射。

而如果有兩條縫，相鄰縫隙之間通過的光會疊加，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，最終顯現(xiàn)出來的是多個或明或暗的條紋。

這就是大名鼎鼎的光的雙縫干涉實驗，所以為了能提升光刻精度，才有我們前面說的，盡量減小光的波長，降低衍射效應(yīng)。

但當光的波長固定時，大家該怎么做呢？這就得利用計算光刻了。

計算光刻主要從四個方面下手：光瞳形狀、光源、掩膜版、波前優(yōu)化工具。我們先來看光瞳。

光瞳上會有不同的圖案，將光線調(diào)整成一定的形狀，從而減輕某種方向上的干擾。比如我們要打出全是豎條的形狀，就采用這樣形狀的光瞳，降低橫向光照的干擾。

掩膜版電路千變?nèi)f化，但光瞳的形狀比較固定，所以ASML對光源模塊做出了一些優(yōu)化，設(shè)置了非常多微小反射鏡組成的陣列，名為Flex-Ray，用來控制局部光照，從而提高成像的分辨率。

同時，由于光的衍射與干涉，會讓最終成像變得扭曲。

此時可以在掩膜版圖案上的邊角處增加一些額外的小孔，增強局部的進光量，就能修正最終成像了。這個過程被稱為光學臨近效應(yīng)修正（Optical Proximity Correction），簡稱OPC。

但光本身也帶有能量，當光通過透鏡時，會加熱鏡片，鏡片由于熱脹冷縮，成像產(chǎn)生畸變，此時就需要波前優(yōu)化工具來計算、并加熱透鏡組中共軛鏡的對應(yīng)位置，修正圖形。

值得一提的是，計算光刻并不僅僅是修正光學誤差，還有其他的物理、化學因素造成的不完美。

Chapter 4.3 逆向光刻ILT：AI對產(chǎn)業(yè)的影響

隨著芯片的電路圖越來越復雜，OPC也經(jīng)過一輪進化，來到了逆向光刻技術(shù)（Inverse Lithography Technology），ILT，這也是目前提升K1的最重要的方式。

我們的采訪嘉賓龐博士正是因為對ILT的貢獻，在2023年時當選了SPIE Fellow，這是光刻界的最高榮譽之一。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： （ILT）我在Mask（掩膜版）上的Pattern（圖案）可能跟你要印的東西是長得完全不一樣的，比如說我要印這么一個洞，那我反算出來的話，它其實不是一個洞，它是可能中間有一個洞，然后旁邊有很多的環(huán)。那這個的話OPC就做不出來了，因為OPC你不知道它會長成那個形狀。所以ILT的話，你可以把它認為是全局的一個優(yōu)化，把它算出來的。

OPC是“正向”調(diào)整掩模圖案，比如添加輔助圖形、修正邊角，這種方法更依賴人工規(guī)則，適用于相對簡單的圖形，計算量較低。而ILT則是利用AI算法，“逆向”求解出最優(yōu)掩模圖案。

打個不恰當?shù)谋扔?，OPC就像一家公司啥都自己做，想要達成什么效果，還得衡量下自己有沒有足夠?qū)嵙ψ龀龇桨浮６鳬LT就像去找外包公司，你作為甲方，只要告訴乙方：我就要這個結(jié)果，甭管你用什么方式，做出來就行。

隨著ILT的出現(xiàn)，芯片的設(shè)計與光刻也迎來了一輪改進。比如龐博士最為人熟知的貢獻，就是將曲線逆向光刻技術(shù)引入了光刻和光掩膜領(lǐng)域：之前芯片里的布線必須要橫平豎直，否則無法制造對應(yīng)的掩膜版。

但有了ILT就可以做出曲線的掩模。這樣一來，芯片布線可以變得更靈活、更緊湊，晶體管的堆疊、更小、更密。由此帶來的芯片提升，甚至比NA的提升還要大。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： Imec最近他們講的就是，我們的芯片上這Pattern（圖案）如果變成Curve（曲線）的話，他可以提升三代。所以這比從EUV的High-NA到Hyper-NA，對這個行業(yè)的貢獻還要大。

來源：Imec

如何提升ILT呢？回到我們剛才的比喻，如果你想提升外包公司干活的效率，簡單！多給錢就行。而在ILT中干活的是AI算法，提升算力就能變得更強。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： 那當然（ILT）它算的這些方法的話也跟那個（OPC）不一樣，就是OPC它基本上是在這個Polygon（多邊形）上面去做的，然后ILT的話，它全部是在這個Pixel（像素）上，像我們做的后來的話，也都是用GPU來做這個加速，因為GPU它是最適合做這個Pixel的這種計算。

來源：NVIDIA

Marc Hijink 《新鹿特丹商報》(NRC Handelsblad）記者 著有《芯片制造——光刻巨頭ASML傳奇之路》 因此，它們（ASML）正在從CPU轉(zhuǎn)向GPU。為此，它們采用了目前由英偉達提供的最先進的GPU。并且它們將計量技術(shù)視為提升光刻能力的一部分，甚至在遙遠的未來也是如此。

當然，除了計算光刻外，其他流程也會提升光刻機的制造精度。比如芯片制造完成后，會使用ASML的電子束量測工具檢查缺陷，并將檢測數(shù)據(jù)計算后，反饋至光刻機臺，修正后續(xù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

更強的芯片能提升光刻精度，更高的光刻精度又能生產(chǎn)更強的芯片，有點“左腳踩右腳上天”的意思了。

05

光刻技術(shù)

還能走多遠？

光刻技術(shù)還能走多遠呢？要回答這個問題，我們先要說到，光刻機的精度其實還與很多零部件相關(guān)。

比如掩膜版，它的移動加速度可以達到32g，大約是過山車的8倍。

再比如晶圓臺，得處于“浮空”的狀態(tài)，為的就是將移動的精準度控制在納米級別。

Evan Tao TetherIA聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO ASML前機械設(shè)計工程師： 這個臺座它是采取磁懸浮的狀態(tài)，一個物體在空間有六個自由度，因為當時我說的有Twin Station（雙工作站），就是Twin Scanner（雙掃描儀），根據(jù)那邊掃描過的表面平整，它把這個數(shù)據(jù)記錄下來，（后續(xù)）在曝光的時候，它根據(jù)那個平整的誤差，它要及時進行（高低）調(diào)整，這樣才能保證去修正它的不平整性。

還有晶圓臺的表面平整度，高度誤差要低于10nm，為此ASML甚至專門成立了一個部門。

Evan Tao TetherIA聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO ASML前機械設(shè)計工程師： 從ASML角度來說，它有一些模組，應(yīng)該是對平整度要求極高，所以它需要專門成立這么一個部門，去解決一個Traditionally（傳統(tǒng)的）、聽上去非常簡單，或者是比較普通的一個工作。

還有很多因素就不一一舉例了，正是因為芯片生產(chǎn)有太多干擾，所以我們定義是否攻克某個制程時，往往以“良率”是否足夠高為標準，而不是生產(chǎn)出樣片就完事了。

接下來總結(jié)下光刻機三大核心的現(xiàn)狀：

1.EUV光源還在攻克更高功率，極紫外光會使用到2035年甚至2040年。

2.High-NA即將投產(chǎn)，預(yù)計在10年內(nèi)都是主流。

3.芯片性能與AI算法的進步，將進一步帶動光刻機的提升。同時短期內(nèi)，光刻機的提升也會更依賴AI算法。

到這里我們也來嘗試回答最開頭的問題：芯片性能是否已經(jīng)達到了物理極限？科技會就此鎖死嗎？

Chapter 5.1 3nm的真相：營銷與競爭催生的“文字游戲”

我們在之前《的文章中有提到，他們推出“Intel 7”工藝時，實際是10nm工藝的改良版，但當時由于篇幅限制，我們刪掉了一段內(nèi)容：

玩這種文字游戲其實不怪英特爾，因為臺積電與三星的工藝也不太厚道。雖然英特爾采用10nm工藝，但晶體管的實際密度已經(jīng)高于了臺積電和三星的7nm，所以為了不在宣傳上落下風，才改名為了Intel 7。

其實我們一直被“騙”了，廠商們宣傳的什么“5nm”、“3nm”，實際尺寸甚至都沒有低于20nm。

那么芯片工藝命名中到底摻雜了什么鬼？要回答這個問題，我們得簡單科普下芯片結(jié)構(gòu)的演進。

在28nm之前，芯片上的晶體管都是這樣的平面結(jié)構(gòu)，那時命名的方式，以晶體管的柵極長度（Gate Length）為準，這樣大家就能大致判斷晶體管有多大、密度有多高，這也對應(yīng)著芯片的性能。

但隨著晶體管越做越小，由于量子隧穿效應(yīng)，晶體管就容易漏電，具體的原理我們就不多解釋了，為了應(yīng)對這一問題，工程師們決定讓晶體管長出“魚鰭”，變成了名為FinFET的立體結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)大變后，要判斷晶體管的大小，就不能只看柵極長度了，畢竟有的結(jié)構(gòu)可能一個柵極對應(yīng)了很多個“鰭”，這時就得綜合考慮鰭片寬度、鰭片間距、柵極間距等等參數(shù)，才能判斷晶體管的大小或密度。

既然沒有一個標準可以衡量芯片性能，那肯定數(shù)字越小越好對吧，此后芯片的工藝命名，就是廠商們自己說了算了。

像我們開頭說的日本Rapidus公司，通過和IBM合作，在7月18日宣稱自己試產(chǎn)了2nm芯片，但根據(jù)TechInsights的報告，這款芯片只能算3nm。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： 當然這個風氣的話，最早是臺積電搞起來的，那個時候臺積電還落后于Intel，所以它整天到晚想著，說怎么跟Intel去競爭呢？那他就開始把他每次往下的時候，他就不是講他真正的線寬了，他就說每次我就是乘以0.7，所以我這個什么28nm，完了就是20nm，然后就是16nm，然后完了就是12，然后就是7，所以它到最后的話，就是這個幾納米，跟上面的線寬是沒有任何的關(guān)系的，現(xiàn)在2nm的話，它上面的線寬實際上也是二十幾納米，或者說（Fin）Pitch（鰭片間距）是30多納米，這是他能夠做到的極限了。

所以芯片上的晶體管，不論是尺寸還是間距，都還遠沒有達到命名上的幾納米，現(xiàn)在的命名邏輯，主要參考的是晶體管密度，這也意味著，芯片還有很多提升的空間。

近年來廠商們更是轉(zhuǎn)向了GAAFET，相當于從平面結(jié)構(gòu)的平房，升級到FinFET的兩層房，再升級到GAAFET的多層房，雖然這些房子的占地面積相同，但流過的電子數(shù)更多，就相當于房子住的人更多了，也變相提升了芯片性能。

Marc Hijink 《新鹿特丹商報》(NRC Handelsblad）記者 著有《芯片制造——光刻巨頭ASML傳奇之路》： 但如果你看看這些結(jié)構(gòu)的真實尺寸，這些線寬通常有20至30納米。所以很多說法其實更多是營銷炒作。 據(jù)ASML透露，至少他們是這樣告訴我的，在原子級的問題真正成為瓶頸、系統(tǒng)變得不可預(yù)測之前，技術(shù)發(fā)展至少可持續(xù)至2040年后。事實上，現(xiàn)在仍有很大的發(fā)展空間，或者說，其實還有很大的“縮小”空間。

回答開頭的問題，由于現(xiàn)在芯片上的尺寸還遠沒有達到幾納米，所以還有很多提升空間。而ASML官方認為，至少在2040年之前，我們都不用擔心這個問題。

Chapter 5.2納米印壓：“活字印刷”生產(chǎn)芯片

如果把傳統(tǒng)的光刻機比作一臺激光打印機，納米壓印光刻術(shù)（簡稱NIL）就是活字印刷術(shù)。

它的核心原理就像“蓋章”一樣，把電路圖案“壓”到晶圓表面，在光刻膠上形成圖案，通過紫外光固化光刻膠，后續(xù)再進行顯影、刻蝕等步驟。

主流有三種方法，分別是：熱壓印、紫外壓印、微接觸壓印，具體原理我們就不多贅述了。

這項技術(shù)也不是什么新鮮事，早在1995年，華裔科學家周郁（Stephen Chou）就首次提出了納米壓印概念；2003年，NIL被納入國際半導體技術(shù)藍圖（ITRS）；直到2004年，日本光刻機制造廠佳能開始深入研發(fā)。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： Nano-imprint（納米壓?。┑脑捑褪窃贓UV出不來的時候，大家想了各種各樣的這個方法，當然日本的印刷一直是做得挺不錯的，其實他們還是蠻有底蘊的。所以像Canon，他后來因為就是覺得說，已經(jīng)是沒有辦法跟ASML再去競爭了，所以Canon就開始去跟DNP（Dai Nippon Printing 大日本印刷），然后他們就去合作，就說我們來做（納米）壓印。

2023年10月，佳能推出了第一代可量產(chǎn)的納米壓印光刻設(shè)備，號稱實現(xiàn)了最小線寬14nm，相當于5nm制程。

同時佳能宣稱，未來有望實現(xiàn)最小線寬10nm，相當于2nm制程。

Marc Hijink 《新鹿特丹商報》(NRC Handelsblad）記者 著有《芯片制造——光刻巨頭ASML傳奇之路》： 但它尚未像光刻那樣在大規(guī)模應(yīng)用中得到驗證，而且在實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)方面還面臨一些挑戰(zhàn)。

目前納米壓印遇到的挑戰(zhàn)主要有三點：

第一是模板成本高。傳統(tǒng)光刻的掩膜板比實際電路大了4倍，制造成本相對較低，而納米壓印需要1:1的模板，制造難度極大。同時，由于模板會與光刻膠和晶圓直接接觸，會因磨損導致精度下降，需要頻繁更換，這也帶來了更高的生產(chǎn)成本。

第二是產(chǎn)能較低。ASML最新的High-NA EUV每小時可生產(chǎn)185片，就這都被臺積電詬病，而納米壓印每小時的產(chǎn)量只有100片，平攤到每個芯片上的成本就更高了。

第三是良率低下。由于納米級電路非常脆弱，模板脫模時非常容易斷裂或變形。同時，我們前面提到現(xiàn)在芯片變成了“多層”結(jié)構(gòu)，壓印電路時需要將不同的模板一層層對齊，這其中的誤差控制難度也高于投影式光刻。

另外，光刻膠的涂抹的平整度要求也更高了。

綜合以上缺點，納米壓印在尖端芯片領(lǐng)域推廣起來還是有一些困難，但用在結(jié)構(gòu)簡單、缺陷容忍度高的存儲芯片領(lǐng)域卻很合適。

Leo Pang（龐琳勇） 斯坦福博士、SPIE Fellow 美國RevoLinx公司總裁： 所以他后來主要的想法是，能夠用在像Nand-Flash（NAND閃存）上面，因為是存儲，所以它有些地方不工作，其實沒什么關(guān)系。 但最近他們其實發(fā)現(xiàn)了，因為現(xiàn)在Packaging（芯片封裝）變得很火了，它的好處是因為那個東西很大，所以它其實不是說局限在一個Wafer（晶圓），一個小的Chip（芯片）上。所以現(xiàn)在有些想法是說，用這個技術(shù)能夠去做這個Packaging（芯片封裝）的部分，這可能我覺得它是它的一個優(yōu)勢。

06

ASML的挑戰(zhàn)

不只技術(shù)問題

如今美國希望將芯片產(chǎn)業(yè)回流，包括推出了《芯片法案》，要求臺積電在美國建廠等。雖然外界一直不看好在美國生產(chǎn)芯片，但說到ASML加大在美國的生產(chǎn)時，我們的采訪嘉賓卻認為這是完全可行的。

Evan Tao TetherIA聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO ASML前機械設(shè)計工程師： 因為它這個行業(yè)畢竟和消費電子是完全不一樣的，它對人工成本的敏感性會低很多。我當時在的那個site（地點），實際上就是美國最大的生產(chǎn)site（地點）。當時我離開的時候大概有2000 多個人，現(xiàn)在估計有翻一倍， 4000多人差不多很有可能，那個地方也是一直在擴建。 所以如果說他是想要更多的在美國制造，我覺得是完全可行的。

然而，隨著美國發(fā)起關(guān)稅戰(zhàn)，也在一定程度上打擊了ASML將生產(chǎn)線搬遷至美國的決心，給ASML股價帶來了不小壓力。ASML作為一家荷蘭公司，為什么會受到美國政策的限制呢？

一方面，ASML光刻機中的許多核心零部件，都用到了美國公司的技術(shù)。比如極紫外激光器，來自于ASML收購的美國公司Cymer，所以不得不受到美國商務(wù)部的管制。

另一方面就比較有意思了，那就是ASML的崛起，有部分原因是來自于美國政府的扶持。

1999年，美國發(fā)起了“EUV-LLC”項目，用于推動EUV的技術(shù)研發(fā)，這個項目是為了鞏固美國在芯片行業(yè)的先進地位，但ASML卻和美國能源部達成了協(xié)議，參與到了其中。

此外，ASML還有許多關(guān)鍵技術(shù)，來源于2001年收購的美國公司SVG（硅谷集團）。要知道，SVG的許多業(yè)務(wù)涉及到軍工，然而最終美國政府依然批準了這項收購，只要求剝離SVG下屬的Tinsley部門（軍用光學產(chǎn)品部門）。

之所以美國愿意扶持ASML這個“近鄰”，其實是為了打壓“遠親”的日本半導體產(chǎn)業(yè)，具體細節(jié)因為篇幅原因我們就不細說了。

正是因為ASML與美國之間有多項交織，所以受制于美國政策。而ASML擁有5000多家供應(yīng)商，供應(yīng)鏈復雜度不比蘋果低，它們的生產(chǎn)是否會受到影響呢？

Evan Tao TetherIA聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO ASML前機械設(shè)計工程師： 我在阿斯麥和蘋果都工作過。從產(chǎn)品質(zhì)量的角度來看，阿斯麥你可以想象，每一個零件都是手工雕琢出來，他可以承受這樣的高精度的需求，他可能生產(chǎn)100個零件有99個都報廢的，那留著你一個是達到他要求的，甚至說它每個零件的尺寸有誤差，最后（通過）彌補出來成為我需要的那個值，它可以用這樣方式來實現(xiàn)它目的。 但是蘋果是不一樣的，你是規(guī)模性生產(chǎn)，你要考慮的是就是統(tǒng)計學上的這些問題，正態(tài)分布，簡單來說就是說你怎么能夠保證你的產(chǎn)品幾萬、幾千萬都是consistent（一致的）？

所以目前看來，光刻機生產(chǎn)不會受到影響。

但ASML的CEO Christophe Fouquet也在今年7月中旬警告稱，受美國關(guān)稅政策影響，ASML可能無法在2026年實現(xiàn)增長，由此也引發(fā)了最近股價的大幅下跌。

有意思的是，Christophe也因此被股民一頓狠罵，大伙覺得你咋就那么實誠呢，本來財報不錯非要降低未來的展望指引，把股價打成這樣。

這讓我也想到在去年年底時，ASML也因財報提前泄露，導致了股價大幅下跌。

而在傳記作者Marc看來，這就是ASML企業(yè)文化很矛盾的地方：一方面它生產(chǎn)著全世界最精密的儀器，但另外一方面在企業(yè)管理上又經(jīng)常出現(xiàn)疏忽。

Marc Hijink 《新鹿特丹商報》(NRC Handelsblad）記者 著有《芯片制造——光刻巨頭ASML傳奇之路》： 這件事其實有點好笑，因為當財報提前泄露發(fā)生時，我正好和ASML的一些人坐在一起。他們當時相當慌張，因為是軟件或技術(shù)故障出了問題，導致某份本不該公開的文件被發(fā)布到了可以被追蹤的網(wǎng)頁服務(wù)器上。這是一個本可以避免的錯誤，但卻很典型地體現(xiàn)了ASML的風格。 這正是ASML企業(yè)文化的一部分，他們總是在趕進度，總是被各種截止日期催促。在這種節(jié)奏下，人們往往容易忽略那些看起來沒那么重要的問題。

雖然各國在光刻產(chǎn)業(yè)上存在政治與利益的分歧，但我們從大眾的角度看，依然希望能看到這項技術(shù)的進步。因為光刻機投射的，遠不止晶圓上的納米電路。

AI大模型的狂飆突進、深空探測器的遙遠征途、深海奧秘的精準測繪、基因圖譜的快速解析無不依賴于這臺精密機器。

或許石刻是文明最后的墓碑，而光刻卻是文明前進的引擎。

視頻有視覺和音樂的加持，更能呈現(xiàn)出這些精彩的故事細節(jié)。 請?zhí)D(zhuǎn)至硅谷101【視頻號】收看完整版

注：部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

【本期節(jié)目不構(gòu)成任何投資建議】

【視頻播放渠道】

國內(nèi)：B站｜騰訊｜視頻號｜西瓜｜頭條｜百家號｜36kr｜微博｜虎嗅

海外：Youtube

聯(lián)系我們：video@sv101.net

【創(chuàng)作團隊】

監(jiān)制｜泓君 陳茜

撰稿 ｜王梓沁

編輯｜陳茜

主持｜陳茜 王梓沁

剪輯｜橘子 AK12 踹

動效｜AK12 踹 橘子

運營｜王梓沁 孫澤平 何源清

研究助理｜孫澤平