回顧一下，ASML光刻機是怎樣一步步走上“絕路”的 - 轉金捷幡

回顧一下，ASML光刻機是怎樣一步步走上絕路的。

一、

光刻這個詞，全名叫Photolithography，簡稱Lithography或者Litho。Litho原義是一種印刷方法，利用油和水不相容的原理，把文字和空白分開。現代的膠板印刷，也是一模一樣的原理：印版搞到滾筒上，滾筒上有無圖文部分親水而有圖文部分親油(油墨)。彩色印刷呢，CMYK四種顏色的油墨依次上筒，但顯然要保證每次套印一定要對齊。

請記住套印這個詞(overlay)，也是把光刻機一步一步逼瘋的關鍵之一。光刻裏麵的overlay，一般也是指不同層的圖案對準的精度。印刷機的套印精度大概是0.05mm，據說這樣就夠騙過人眼了，而最先進的光刻機overlay精度是1nm，兩者差了5萬倍。

早期光刻機的原理和印刷確實也是一毛一樣的，有圖案和沒圖案的地方通過光敏膠曝光再刻蝕分開，多次曝光要對齊，所以叫對齊機(Aligner)，台灣地區幹脆叫它曝光機。

但你要真以為印刷就這麽簡單，那就天真了。印刷機的設計不僅要精細計算印版的吸附表麵能，也要考慮水和油墨的表麵張力和流變特性，而且印刷速度越快溫度越來越高，它們的粘度和厚度又會怎樣變化？怎樣保證不同顏色不會互相汙染？不同紙張對不同油墨的滲透是不是不一樣？

我們要解釋光刻機的難度，同樣需要理解它怎樣處理各種印刷的精度和材料及溫度特性等問題。

二、

光刻機從Aligner到Stepper(步進光刻機)，是一次微機電的升級，從一次曝光一整片晶圓到光頭在晶圓上一步一步(Step and repeat)移動曝光一個小方塊，那時還用的是簡單的汞燈。Stepper升級到Scanner(掃描光刻機)，因為激光光源越來越珍貴，光頭從方塊光場變成一條線掃描(和複印機那一條光橫掃一樣)。Scanner的機械實現技術難度成指數級數的上升，因為這條光需要同步掃描光罩和晶圓。光罩(Reticle)也叫掩模(Mask)，似乎光罩更能清晰表示它和晶圓不是貼在一起的。

眾所周知，日本由於出色的精密機械和加工能力，在80、90年代各種極其精巧的家電中獨占鼇頭，比如錄音機、攝錄像機、Walkman和Diskman等，後來喬布斯為了給第一代iPod裝上硬幣大小的微硬盤，也得去找東芝。

因此，在Stepper和Scanner的時代，日本尼康和佳能背靠著日本優勢的精密儀器產業，加上兩家本身在光學上就是世界一流，迅速打垮了美係那些傻大黑粗。

但隨著摩爾定律的進展，芯片尺寸越來越小曝光多達幾十層，對齊套刻(overlay)的挑戰越來越高。日係的精密加工也是有極限的，如同日係消費電子產業從模擬轉換到數字後遭受慘敗，軟件控製是對機械控製的降維打擊。現代光刻是Stepper+Scanner+高精測量+計算光刻等一堆的集成，所以叫Lithography System(這大概是現在光刻機最正式的英文)。

我們在之前的文章裏反複提到，日係產品的軟件設計不可思議地奇怪，比如多年後索尼夏普的彩電遙控器上還是密密麻麻的小按鈕。不知道是不是日本文化更重視看得見摸得著的硬件，反正日係的軟件基因一直發育不良。

三、

網上大家都傳，認為浸入式光刻是尼康敗於ASML的關鍵一戰，我倒不這麽認為。浸入式本身也可算是機械實現，難度不算高，而且尼康也確實很快做出來了。

導致尼康潰敗的，應該是ASML的雙工台TwinScan。TwinScan的光刻機有超過十億行代碼，有無數的高精傳感器和控製器來配合軟件做到納米級的測量和定位。日係一直拿不出可以提前精測的雙工台，這導致其機器的生產效率明顯不如ASML，而且自然差錯率也會更高。

另外一個需要強依賴軟件的地方是所謂計算光刻。舉例來說，由於光刻膠本身物理和化學特性加上光本身的折射衍射，真正膠體的變性圖案和模版並不能完全一致，軟件建模和校正則成為殺手鐧。工業軟件的關鍵就是建模，比如提前算好什麽牌子的膠和什麽角度的光配合出的線條粗糙度如何，反過來再去重新設計光罩，但顯然這需要大量的曆史數據和算法庫。激光本身也會帶來鏡片或液體溫度的變化，軟件計算後可以通過微機械聯動進行動態補償。

按我說，KLA也應大半算是個工業軟件公司。這就是半導體設備行業追趕的主要挑戰之一，因為要有長時間曆史數據和know-how的積累。

四、

由於Mate 60係列的原因，最近大家一直在討論DUV生產7nm芯片，這玩意比現階段使用EUV其實更複雜：通過增加CVD層spacer實現自對準，四次曝光疊加才能完成第一層：Fin層，這個overlay的精度需要1nm左右。光首層多重曝光就大幅度提高了光刻在總成本中的占比：昂貴的三或四個光罩加上四次浸沒光刻時間成本，而同理瑕疵也會倍增導致良率下降。這裏還沒提到在很多金屬互聯層DUV同樣比EUV需要更多光罩。

記得梁先生在2020年辭職信裏提到，3年多完成從28nm到7nm研發的神奇三級跳。這種跳躍並沒有設備上的不同，而是來自海峽對岸的工程師們在晶圓廠的know-how上麵，做出了奇跡般的傳遞。

到現在，我們還沒開始討論EUV。

現在大家都已經知道，EUV是一個橫跨超過二十年的工程奇幻。那麽，ASML究竟做對了什麽，可以達成這樣一個不可能的任務呢？

這個話題值得寫一本書。不過，我們想象一下，如果你是公司的老板，你會怎麽做。你會去全世界找各個領域最頂尖的製造商，幫你按你的高標準研發零部件，對吧？

但是，一個機型一年賣幾十台，十萬個零件，核心部件全是非標定製，每個零件的訂貨數量少得可憐，供應商願意麽？

所以，不光得講情懷，你要給足夠的錢、足夠的研發時間、足夠的測試、足夠的迭代改進時間

這大概就是尼康碰到的問題。日係的供應商大多也是日係，如果裙帶企業不願意做，尼康隻能降低spec要求。另外不像ASML沒有退路背水一戰，尼康本身還有相機、醫療儀器等大量其它產品，內部拖遝扯皮也會更容易發生。

其實日本研發人員在1980年代就開始研究EUV，同步加速器產生光源(清華方案的老祖宗)和實驗室曝光納米級線條30多年前就成功了。

五、

氙氣是後來大家一致認可的產生EUV光的方案，因為相對簡單。在2000年前後有大量相關論文，包括英特爾在2004年安裝的EUV實驗裝置也是用氙，尼康也押寶在氙，但最終還是無法解決轉換效能低和汙染問題。

ASML倒是老早就押寶在錫身上。錫並不是個很好的EUV方案，開始用激光擊打固體錫總是產生大量碎片，而且錫片本身會阻擋掉大半寶貴的等離子體。ASML大概做了10年錫EUV，在2010年第一代EUV NXE3100上，可用功率也隻有10W。這是什麽意思呢？大概一小時隻能生產幾片晶圓，這種效率不會有人買單的。

同樣，光講情懷搞不定卡脖子的供應商。ASML在2012年走上絕路的標誌，就是它把當年早些英特爾、台積電和三星購買其23%股份時承諾的研發投入17億美元，自己再加了9億一股腦全用在高溢價收購激光光源供應商Cymer身上了。

科學家們用激光轟擊液體錫滴，但錫滴是球型的，激光接觸麵自然是很小的。為了盡可能達到盡可能高的轉換效率，錫滴越小越好，而且最好激光擊打到一個凹進去的形狀裏。這種想法提給工程師以後，很難想象得給他們喝多少雞血才行。

反正最後的方案是這樣的，錫滴一小滴一小滴滴下來，先用低能量激光把錫滴打變形出來凹餅狀，再用高能量激光打在凹坑裏產生寶貴的EUV。聽起來是不是也不算難？問題是，液滴隻有30微米大，每秒5萬滴以時速近300邁噴出來，然後兩槍激光必須每一次都要準確地第一槍打凹，第二槍打在凹坑裏：每秒10萬槍。這樣的高效率，終於使得EUV光刻機的可用功率達到200多W，達到量產上百片晶圓目標。

在2004年ASML、尼康和佳能聯合製定的EUV光源目標中，功率隻有110W，可見當時大家期望都不高。但今天，ASML已經把目標定在450W了。

六、

我聽說ASML對晶圓台啟動移動的瞬間光子的浪費都感到可惜，因為EUV射線太寶貴了。為了保證產能，他們必須和時間賽跑，盡可能提高晶圓的移動速度，但台麵飛快地加速和減速時，還不能產生一絲震動。 -《和時間旅行者討論半導體》

為了盡可能提高曝光效率，晶圓台的移動要越快越好，那麽要多快呢？5個g的加速度，同時量測速度是一秒鍾2萬次，保證晶圓台飛一般地移動到正確的位置。那麽問題來了，得配備什麽樣的傳感器才能精準到這種程度呢？

ASML官方說，這些傳感器的精度是60皮米，也就是0.06納米。即使這樣，ASML覺得還沒做夠，他們實現了7個g的晶圓台加速度，這樣可以達到15秒處理一片晶圓，而在這15秒內要掃描曝光約100個地方。要知道晶圓台是托著12寸晶圓的大玩意，這麽快的移動速度，怎麽能不產生振動和熱量呢？

ASML之前的TwinScan台是空氣懸浮的，這樣摩擦阻力可以很小。但隨著芯片做到7nm以下，問題又來了，氣懸的空氣會隨著晶圓台高速移動產生擾流，擾流會影響量測幹涉儀的精度，這樣就難以達到納米級對準了。

怎麽辦呢？ASML咬牙把氣懸浮改成了磁懸浮，這不就沒空氣了麽，也避免了空氣被加熱的問題。但說起來容易，磁浮會帶來超強磁場，副作用肯定也得解決。

那麽，這樣就可以了嗎？

七、

悲催的是，我們還沒討論最重要的光路設計呢。大家都看過下麵這個圖：

有小夥伴問，既然EUV光線這麽寶貴，為什麽要反射這麽多次？每次要損失近一半的光子呢，按一次50%損失反射6次就隻剩2%不到了。

對，即使蔡司製作的這些反射鏡是地球上最平整的平麵(每個鏡子有四五十層矽和鉬交替的塗層，還得確保每層的厚度是EUV波長的一半)，仍然讓EUV光損失慘重。

這裏有好多講究，一個是光不能隨意拐彎，為了機器不是巨大塞不進飛機，光路設計要考慮空間。不考慮空間的體育記者手裏的大炮相機和考慮空間的手機相機，差別是很大的。較大的入射角也是不行的，會導致更多的相差和損失。

EUV光子需要匯聚成線後先掃過光罩(也是鏡子)，反射光需要縮小到1/4再掃過晶圓上橡皮大的曝光區(Field)，這個縮小過程更需要嚴格的對焦和光路設計，所以這些鏡子並不是平麵鏡，而是帶焦點的縮小鏡。

隻要是光學器件就會有缺陷，光路設計好則有可能補償掉其中大部分。

聽朋友傳謠說，蔡司一開始是不想玩這個遊戲的，一年生產幾十套這個鏡子，能賺幾個錢？而且為了生產它們，需要幾層樓高的超級真空腔和巨型機械手。更悲催的是做出來稍微有點瑕疵，ASML還不要。

這個謠言也許是真的，因為大約到了2015年ASML啟動High-NA EUV項目時(當時Low-NA EUV還遠未通過客戶驗證)，蔡司真的準備撂挑子了。當時還不富裕的ASML咬牙花10億歐元買下蔡司半導體部1/4的股份，再加上承諾未來6年給半導體部撥款7.6億歐元。

八、

High-NA EUV係統已經是ASML能看到的一條絕路了。問題是，周圍小夥伴們卻認為那也許是一條死路。台積電和英特爾都對手裏的ASML股票做了清倉式減持(台積電等三巨頭投資ASML的真相)。

曆史是必須要回看的，身在其中必然無法體會期間的奧秘。

第一台EUV跳票10年，確實是碰到的問題太多了。我們舉個小例子：

現在的EUV是一台1.5兆瓦的功率巨獸，激光就像帶著火把在森林裏放火，每到一處產生的溫度變化都不可避免導致器件變形變異，而在高端芯片上是錯開1.5nm上下層就對不上了。

我們說過帶有芯片圖案的母版光罩也是鏡子，這玩意大概30萬美元一個，高能激光會導致光罩是有壽命的。別的鏡子上有點瑕疵還好，大不了丟幾個光子，而光罩上的瑕疵則直接導致芯片失效。還有一個問題是，小的雜質顆粒會掉到上麵。

原來設計師的思路是，EUV光路是全真空的，根本不用考慮雜質的事。可現實情況是，鬼知道哪裏來的肉眼根本看不到的小東西。晶圓廠通常隻能在發現缺陷後，停機把光罩摘下來幹洗或濕洗，反正是損失巨大。

有人說，不如給光罩貼個膜，發現問題撕了再貼一張不就好了。

這個思路倒是一點都不蠢，居然和工程師想的一樣。但什麽樣的膜才能讓寶貴的EUV光線進去再反射回來還沒損失呢？要知道EUV打在上麵可以升溫超過600度呢。要知道玻璃都能吸收EUV我們才改用鏡子的，這個膜得足夠薄還要有足夠的強度來保證平整。

沒有光線損失是不可能的，很多廠家參與了挑戰但大多最終放棄了。ASML自己做了無數試驗最終選了一款50nm厚的膜，大概是女士麵膜1/50000那麽厚，大概可以實現隻損失10%的EUV。ASML為了吸引客戶，把這個膜做成自動的，自動量測膜上的雜質，再用機械手自動把它遮擋到光罩上。

雖然已經精益求精了，但這10%的光線損失也讓廠家肝疼，因為它很可能導致產能降低。而且這膜壽命也就扛一兩天而已，所以晶圓廠對於小尺寸光罩有時就不用了。

這件事從一個側麵顯示了現在光刻機的悲催之處，就是每一處微小的改進都需要花巨大的代價，這個代價和收益經常是不能匹配的。

九、

不知道英特爾當年的CEO和CTO是怎麽判斷局勢的，在10nm百般不順延誤了至少3年的情況下仍不相信EUV是能用的，手握巨額現金卻錯過了一舉扳平台積電7nm的機會。

顯然，英特爾的聰明人不會兩次在同一個地方絆倒，他們決定比台積電更早使用High-NA EUV光刻機，在1.8nm級別(18A)時反超台積電。

不巧的是，ASML的High-NA跳票了。

雖然多少nm的芯片現在已經完全是營銷術語，但晶體管密度的提升並不能作假。英特爾低調地不再宣傳18A是用High-NA製造，隻能默默用良率不好控製的Low-NA多重曝光來實現。

High-NA理論上並不是像EUV剛上馬那時那麽困難，所有事情都需要顛覆重做，那它難在哪裏呢？

十、

為了收集更多的寶貴EUV，對ASML最理想的情況是光罩的麵積從6英寸大幅度增大到7-12英寸(光罩也是個反射鏡)，這樣產能(吞吐量)也會更大。

但晶圓廠、光罩廠、檢測設備廠齊齊投了反對票，畢竟他們要為光罩這麽個消耗品買單。

但High-NA就意味著更大的反射鏡，壓力全留給了ASML，然後轉嫁給蔡司。據說最後光路中的反射鏡有1米多長，比普通EUV大了一倍。更悲催的是，這樣的鏡子從普通EUV的40公斤一片陡增到360公斤一片。

如此重而且大的鏡子，用怎樣的夾具才能保持世界上最平整的表麵沒有變形呢？

具體我也不知道。但看宣傳稿，蔡司是用在巨大的真空室裏用巨大的機器人抓著它的。

我們回到光罩這個最複雜的鏡子上來，由於麵積不許增大，圖案精度要求入射角也不能增大，就隻能采用x和y軸不同縮小倍數的反射鏡了(也就是一個軸是哈哈鏡)，最終到達晶圓的掃描光場是普通EUV的一半大小，這算是達到0.55NA的折中方案。

聽起來還好，但這個高精度哈哈鏡和做平麵鏡的難度顯然不是一個量級了。更複雜的是掃描光場小了一倍，兩個光場怎麽才能納米級拚接成一個芯片呢？輔助的量測係統又要大改。

還有一個大麻煩的是，NA增大後最終光線聚焦的焦深變淺了，光刻膠是一層三維立體的東西，足夠的焦深才能使足夠厚度的光刻膠吸收光能後變性。光刻膠得重新研發，另外晶圓的平整度要求比以前更高了(否則淺焦深覆蓋不了矽片表麵起伏)，這又涉及到產業鏈一係列變化。

高NA還要求被擠爆牙膏的激光功率再一次提升，而且打擊錫滴的激光從每秒50000滴再增加20%以上。但是，這種超級功率巨獸的各種能量，又是引起整台機器內部溫度變形的各種要解決的麻煩。

總之，High-NA EUV並不是普通EUV的簡單升級，這玩意兒幾乎是照著極限新設計一台，所以一個升級要花十年。悲催的是，Hyper-NA EUV同樣每個極限突破再全重來一遍，這就是範登布林克絕望的地方。

十一、結束語

ASML在過去三十年大概出了五六千台光刻機。令人無比驚訝的是，其中95%的機器仍然在晶圓廠正常工作，其中包括了1800台《光刻巨人》裏的傳奇老機器PAS5500，因為最上麵幾十層的曝光不需要最小分辨率。在中國也有無數海外流入的二手機器在跑，ASML每年也在翻新和維護大量老機器。

這樣的商業模式聽起來很奇怪吧？老的不淘汰，新的賣給誰啊？

這就是信息時代的力量。人類信息技術和存儲對芯片需求爆炸性的增長，給了光刻機不斷成長和發展的空間。

這麽看來，ASML顯然是時代發展的寵兒。

那麽，它的光刻機走上絕路，是好事還是壞事呢？