EUV 光刻，终成主角！

EUV 到底有多火，可能很多人沒有概念。

在光刻機巨頭 ASML 發佈的 2023 年第三季度的報告中，EUV 光刻機的預定額為 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買期貨，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。

對於半導體行業來説，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 年期間複合年增長率為 21.8 %。

作為對比，ASML 在 2023 年的總營收為 276 億歐元，摺合近 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 或是更先進製程，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 數錢就數得越開心。

問題來了，為什麼 EUV 能這麼賺錢？

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；

對於有志於先進製程的晶圓廠來説，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。

為了實現 EUVL，木下博夫開始尋找更短波長的 X 射線，但問題也逐步浮現，其中包括缺乏能夠聚焦 X 射線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為 10 至 100 nm（我們現在稱為 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 射線的就是掠射角反射鏡，而多層反射鏡更進一步，為 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，觀眾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説道，“但是，我的信念沒有改變。”

木村博夫如今已被公認為是 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，最終成為摩爾定律的最堅定的捍衞者。

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 光刻技術上的聯繫。

“摩爾定律遇到了麻煩，” 伯克利國家實驗室的 David Attwood 説，“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 氟化氬激光器已經開始用於光刻技術的開發，但 DUV（深紫外光）光刻技術似乎已經走到了盡頭，對於英特爾來説，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，來開發 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佈：“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，開發新一代光刻技術，該聯盟與美國能源部合作，開始在伯克利實驗室、勞倫斯 - 利弗莫爾國家實驗室和桑迪亞國家實驗室展開研究。

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，最初被評為最後一名的激光產生的錫等離子體源成為了首選。

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，並開始投入資金加速 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。

為了完成 EUV 光刻機的開發，ASML 又與蔡司花費了 20 年時間合作開發這套複雜光學器件。“將專利概念變成現實需要做大量的工作，” Erik Loopstra 説道，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，都可以製造。”

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，從試驗原型變為量產版本，2019 年，首款採用 EUV 光刻技術的商用產品發佈（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 機器在客户處投入使用，ASML 的技術高級副總裁 Jos Benschop 表示：“我曾經天真地説 EUV 會在 2006 年量產，最終它晚了 13 年，但許多人認為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，會在三十多年後紮根在歐洲荷蘭，成為了全世界半導體延續摩爾定律的關鍵呢？

High NA 爭奪戰

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，表示光線的入射角度，使用更大的 NA 透鏡可以打印出更小的結構，對於 2nm 甚至是更先進的製程來説，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線照射十字線的角度並避免了反射問題。重要的是，它還允許芯片製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 的十字線階段的加速速度是 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 公里/小時。

更簡單的製造工藝。EXE 的 CD 為 8 nm，使芯片製造商能夠簡化其製造流程，也能更經濟高效地生產先進微芯片。

更快的投產。ASML 儘可能多地重複使用現有的 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户晶圓廠的過程，客户將在 2024 年至 2025 年開始研發，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 這麼好，那麼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 上表現得尤為熱衷，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 還宣佈於韓國投資 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 年底開始量產 3 納米芯片，並計劃於 2025 年開始量產 2 納米芯片，但在 High-NA EUV 上，目前沒有一個明確的佈局，SemiAnalysis 的分析師甚至表示台積電要到 2030 年之後才會真正開始採用 High-NA EUV。

這是出了什麼問題，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，作為對比，目前熱銷的 EUV 光刻機單價為 1.5 億至 2 億美元，翻了兩倍有餘，即使是不吝嗇於投資的台積電也出現了動搖。

實際上，台積電早期願意購入 ASML 的 EUV 光刻機，很大程度是因為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，台積電並不是很願意採用這項昂貴的技術。

如今蘋果就沒有當初那麼大方了，有傳言稱，這家科技巨頭不會為代工廠的 High-NA EUV 升級買單，沒了大老闆買單，做小弟的也就不急着自己掏腰包了。

台積電作為一家代工廠，升級設備的驅動力並非來自於自身，而是大客户的需求，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），讓蘋果為自己的先進封裝買單，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，自然是因為在 EUV 上吃過的虧，台積電正是因為 ASML 的 EUV 光刻機的幫助，才在 16nm 後反超英特爾，至今依舊保持着製程上的領先，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。

而從另一種角度來説，台積電可能還需要看蘋果的臉色吃飯，作為代工廠，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，但卻沒有客户願意多花錢，那不就是自己虧本嗎？向來追求平穩本分的台積電，肯定是不願意冒這個險的。

而英特爾就沒有那麼多顧忌，自家早已畫好了路線圖，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，最終買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 年就宣佈，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，其認為 High-NA EUV 會逐步替代 EUV 成為主流，成為更多廠商的選擇。

但有一部分研究機構的分析師提出了質疑，他們表示，至少對於一些芯片製造商來説，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”。

為什麼 ASML 這麼有底氣，主要還是 EUV 目前的瓶頸。台積電在最新的 N3B 工藝裏，為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麼做了，在 7nm 節點上，台積電就曾使用過 DUV 的雙重曝光，如今又在 EUV 上如法炮製。

ASML 認為，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)，讓芯片製造商可以簡化其製造流程，徹底彌補上述這些缺點。

考慮到此前曝出蘋果與台積電的秘密協定，即 3nm 節點上，蘋果不會按照標準的晶圓價格付費，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 的説法也不無道理。

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，現在就多花成本買入新光刻機？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？

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