7.9知識分子
The Intellectual
EUV光刻機，可能是迄今為止人類科技領域所能達到的最尖端的技術成果 | 圖源：asml。com
編者按
在7月6日舉行的外交部例行記者會上，彭博社記者再次提到美國要求荷蘭公司阿斯麥（ASML）不要將最先進的光刻機出口給中國的問題。而在最近的2022 SPIE高階光刻會議上，阿斯麥介紹，其新款EUV光刻機正在研發當中，未來2奈米的晶片當不在話下。臺積電今年6月中旬也宣佈了其2納米制造技術，計劃在2025年投入生產。對於這些最先進的晶片製造技術，中國晶片製造公司無緣得到。本文透過回顧歷史，希望讀者能從中體會到光刻機的研發過程可說是 “冰凍三尺，非一日之寒”。
撰文｜陳啟責編｜邸利會
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晶片變成 “白菜價”
圖1
PE 100團隊
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圖源：chiphistory。org
1967年，美國軍方聯絡了老牌光學裝置廠商 Perkin Elmer，希望能做出精度更高的新式光刻機。Perkin Elmer 是大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡的鏡片製造商。
1960年代可以認為是光刻機的上古時期。這些光刻機統稱為掩膜對準儀（Mask Aligner），沒有複雜的光學投影系統。
當時的光刻機有兩種，接觸式與漸進式。
接觸式光刻機把光掩膜板蓋在塗有光刻膠的矽片上，開啟光源，“咔嚓” 一下，完成曝光。顯然，這個方法有個問題，光刻膠很容易汙染掩膜板，且隨著曝光次數增加，掩膜非常容易損壞，因此失敗率很高，晶片良率奇低，成本昂貴。
而漸進式光刻機，光掩膜板不和矽片直接接觸，在光刻機里加入量測工具，讓兩者儘可能接近。但隨之而來的問題是，光有衍射效應，投影時邊緣變模糊，造成精度下降，有較大的投影誤差。
因為良率太低，一片4英寸矽片壓根生產不了幾顆晶片，所以當年的晶片極其昂貴，連財大氣粗的美國軍方都用不起。要降低成本，需要技術的革新。
1974年，在經過數年研發後，Perkins Elmer 推出了劃時代的光刻機：Micralign 100。光刻進入了投影式時代。
Micralign 100並不複雜，是一種反射式的投影系統，利用兩片同軸的球面反射鏡，把掩膜板上的圖形，經過三次反射，投射在矽片上。這種對稱的球面鏡，可以消除產生的大部分像差，達到理想的解析度。
Micralign的誕生大大提高了光刻工藝的良率，從接觸式光刻技術的約10%提高到了70%。良率大幅提高，芯片價格應聲大跌，一年前摩托羅拉的處理器6800賣295美金，一年後MOS科技的處理器6502僅賣25美金的白菜價。便宜的晶片促使微型電腦如雨後春筍般出現。
儘管售價是漸進式光刻機的三倍，但實打實的良率提高，最終能生產的晶片更多，讓所有采購Micralign 100的客戶賺得盆滿缽滿。英特爾、德儀等公司的訂單，雪花一樣飛來。
進入半導體裝置領域短短不到三年時間，Perkins Elmer 成了當時最大的半導體裝置公司。
然而好景不長，Perkins Elmer 的基於1：1純反射式的光刻機缺點越來越明顯，反射鏡無法完全消除球面像差，影象解析度也太低，無法進一步滿足縮小的工藝。基於透鏡組的步進式光刻機（stepper），開始嶄露頭角，光刻技術進入縮放投影時代。
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GCA的高光時刻
1978年，GCA公司推出了首款步進式光刻機DSW 4800，並迅速佔領了70%的市場。
步進式光刻機採用縮放投影的方式，把掩膜板的圖形，縮小到原來的1/4到1/5再投射到矽片表面，大大提高了曝光強度和解析度上限，讓光刻精度進入微米級。縮放投影，不需要掩膜板和電晶體線寬一致，對掩膜板要求也降低，簡化了掩膜板的製作要求，降低了成本。
1970年代初，GCA把鏡頭供應商換成尼康，但為了獲得所需的遠心式鏡頭，GCA又拋棄了尼康，轉頭和德國蔡司合作。原因是他們嫌日本的鏡頭精度不佳，光刻像差受焦距的影響太大。
除了物鏡系統，GCA還需要一樣新東西——自動化矽片工件臺（stage）。步進式光刻機的曝光區不再是整個矽片，而是其中的一小塊面積，所以光刻要化整為零，每曝光一次，矽片就必須移動到下一個區域再曝光一次，一步步推進，直到整個矽片完成全部曝光工作。
如此，工件臺的定位精度影響對準精度，運動的速度決定了光刻機每小時的矽片曝光量，無故障穩定執行的時間決定了光刻機的整體效率，光刻機的精度和效率全靠工件臺的技術水平。
DSW 4800便是首臺搭載自動化矽片工件臺的步進式光刻機。
圖2
GCA的步進式光刻機DSW 4800
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圖源：chiphistory。org
這臺光刻機使用436奈米的G線光源和10：1的縮光掩膜板。儘管光刻速度不快，50萬美元的價格也遠遠高於Micralign 9。8萬美元的價格，但在穩定性，解析度，數值孔徑，及套刻精度方面具有壓倒性的優勢，讓其一誕生就獲得了包括IBM、仙童、德儀等大廠客戶們的青睞。
儘管這一年 Perkins Elmer 也推出了Micralign 500型號，一小時能曝光100片矽片，把速度的優勢發揮到了極致，但是行業正按照摩爾定律的 “劇本” 演化，電晶體的尺寸不斷微縮，光刻的精度越來越重要，Micralign已經完全跟不上。
緊接著，日本雙雄尼康和佳能也開始發力。但 Perkins Elmer 對這一切熟視無睹，繼續沉迷在過去的成功中，既沒有認真聽取客戶意見，又沒有投入資源進行下一代光刻機的研發，故步自封。
丟失市場後，Perkins Elmer 終於醒悟，但為時已晚，之後孤注一擲研發更先進的EUV，結果功敗垂成。再之後，Perkins Elmer 的半導體光刻機事業部賣給了SVG（Silicon Valley Group），SVG 在2001年又被阿斯麥以16億美金收購，40年前的光刻老大委身於現在的老大。而阿斯麥最先進的EUV光刻機，又回到了反射鏡，科技就是這麼 “螺旋式” 上升的。
儘管 Perkins Elmer 在後續競爭中失敗，但不可否認其貢獻。正因為Micralign 100光刻機大幅提高了晶片製造的良率，才讓芯片價格下降，更多的電子產品進入尋常百姓家。
第一次的光刻機大戰，GCA笑到了最後。期間，美國幾個廠家你追我趕，體現出在這一時期，美國在光刻領域強大的科技實力和創新力。
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日本逆襲
圖3
1980年2月，NSR-1010G問世
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圖源：nikon。com
正當兩家美國廠商打的火熱的時候，1982年，在IBM和德儀的工廠裡，出現了一臺來自日本的光刻機。不管是光學系統，還是矽片工件臺，看上去都和GCA的步進式光刻機相差無幾，這就是尼康當年推出的NSR-1010G。
這家做鏡頭配件的日本廠商，為什麼能在短短几年內，打破GCA的技術壟斷，研發出自己的步進式光刻機？故事要從1976年說起。
1976年，日本的通訊產業省，開啟了超大規模積體電路計劃，簡稱VLSI專案。這是一個舉日本全國之力推動電子產業升級的規劃，政府每年投入180億日元，組織了包括東芝、日立、富士通、三菱電機和日本電氣在內最大的五家半導體廠家，形成技術聯盟，要求這些競爭對手放下隔閡，攜手合作，集中力量辦大事。
在四年規劃中，日本選擇了幾個重點突破的技術路線，光刻技術和裝置就是其中之一。作為老牌光學廠商的尼康和佳能，雖然明面上沒有加入該專案，卻也在通產省組織的合作框架下，開始了各自的光刻機研發任務。
佳能此前主要做相機鏡頭，在精密測量部分尚有欠缺，因此仿製的是門檻較低的Micralign對準儀。
而尼康的前身是成立於1917年的日本光學株式會社，在鏡片製造和精密測量技術方面有相當深厚的技術功底，既能做高解析度的相機鏡頭，又能做天文望遠鏡，甚至為戰列艦提供軍工級的光學測距儀。GCA用過一段時間的尼康鏡片，讓尼康得以瞭解半導體光學的最新技術。
儘管自身的技術積累不俗，但尼康要想實現從無到有，也並非易事。好在還有友軍的全力支援，日本電氣把買到的GCA光刻機，偷偷交給尼康拆解分析研究，結果拆了之後裝不回去。由於這臺光刻機極其寶貴，日本電氣只能厚著臉皮找GCA報修，結果被GCA工程師發現機器被人拆開過，場面一度十分尷尬。
尷尬歸尷尬，尼康還是從拆解GCA光刻機中學到了很多寶貴的知識，在1980年推出了自己的首臺步進式光刻機。
初代尼康光刻機有不少問題，但是日本電氣和東芝還是很支援，買下後雙方技術人員通力合作，及時反饋了很多實際工作過程中的問題，幫助尼康迅速更新和迭代技術，使得尼康光刻機水平迅速提高。
1982年，尼康成功地把機器賣到了美國IBM和德儀。美國人驚訝的發現，尼康的 “山寨” 光刻機居然有不輸GCA的效能，尤其是鏡頭穩定性和自動化程度更在GCA之上，更重要的是日本的服務態度，絕非傲慢的美系廠商可以比。
正當尼康一路高歌猛進之時，GCA的產能問題卻遲遲沒有改善，原因是其鏡頭供應商蔡司當時正處於低谷，鏡頭頻頻出現質量問題，還延遲交貨。此消彼長之後，其他廠商逐漸失去了對GCA的耐心。
2年後的1984年，尼康的出貨量基本和GCA打平，甚至還先於GCA推出升級光源後的I線365奈米光刻機NSR-1010i3型，廣受客戶好評。同年，另外一家日本光刻機廠商佳能，也推出了自己的首款步進式光刻機FPA-1500FA。
1985年，尼康正式超過GCA，成為業界第一大光刻機供應商。這一年，GCA大虧1。45億美金，次年放棄低端機型，斷臂求生，把全部身價壓在高階機上，但其資金鍊斷裂，已經無法支撐後續研發，蔡司的退出合作也給了GCA致命一擊。
1988年，走投無路的GCA年出售給 General Signal。過了幾年GCA找不到買主被關閉，當年美系光刻機龍頭就此消亡。
1980年代初還佔據大半壁江山的美系三雄，到80年代末已經搖搖欲墜，處在崩潰邊緣，而日本光刻機雙雄尼康和佳能則強勢崛起，替代美系廠商，佔據了超過70%的市場份額。
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為何美國失敗？
為什麼十年不到時間，風光一時的美系廠商會被日系廠商反超？我們也許可以總結些經驗教訓。
首先，日本兩家公司在光學裝置以及精密機械上擁有極其深厚的功底，這是研發光刻機的前置技能，也是日本能快速追上美國的前提。
二是日本集中力量辦大事，給予了極優厚的政策和豐厚的資金。VLSI專案出錢，聘人，成立聯合實驗室，實現上下游廠商的的通力協作，共同進步。而美國晶片廠則不願意和GCA分享資訊，生怕洩露技術細節，這導致GCA一直矇在鼓裡，不知道客戶的真實情況已經到什麼地步。
三是日本廠商垂直整合度更高。尼康和佳能不管是鏡頭還是平臺，還是自動化技術，全都是自己家的技術，從源頭解決需求，研發溝通更迅速，技術迭代更精準，生產成本更低廉。而GCA完全依賴蔡司的鏡頭，一旦蔡司品控和溝通有問題，會造成災難性後果。確實，蔡司有段時間陷入困境，問題一大堆。阿斯麥和蔡司的早期合作中也出現過問題，差點把阿斯麥也拖下水，幸虧阿斯麥對蔡司進行了徹底改造。
四是美國廠商的守舊與傲慢。Perkins Elmer故步自封，GCA目空一切，當客戶反饋尼康和佳能的裝置效能更好的時候，管理層只是甩鍋給銷售團隊，而不是反思自己裝置為什麼不如競品。
五是日本廠商有著更好的經營理念和服務支援。GCA在亞洲的服務團隊，都是外派的美國人，根本無法融入當地客戶。而尼康則非常重視客戶需求，在1982年第一臺裝置交付美國客戶的時候，就開始僱傭當地工程師建立矽谷服務中心。
六是70年代末半導體產業的發展前期，各種光刻技術路線層出不窮，光刻機還處於草莽時代，日本可以用高效和低成本的打法反超美系競爭對手。
七是在當時的經濟大背景下，美國處於石油危機所引發的經濟衰退中。GDP下降，失業率上升，美聯儲不得不實行貨幣緊縮政策，而日本經濟則處於景氣週期中，尤其是半導體產業。
1980年代的日系廠商，不僅在光刻機領域把美系廠商按在地上摩擦，在記憶體等其他晶片市場也攻城略地，打得美國晶片公司節節敗退。那些年無論德儀，還是仙童，還是AMD都是泥菩薩過江自身難保，英特爾甚至因為退出記憶體市場被迫裁員2000多人。
但好景不長。1985年，美國逼迫日本簽署《廣場協議》。緊接著，1986年9月《美日半導體協議》出臺，對日本晶片強制徵收100%的懲罰性關稅，同時美國又扶持中國臺灣和韓國的公司。
儘管日系公司還能依靠之前的技術積累繼續保持市場份額，但兩個協議一出，自此日本晶片產業盛極而衰，在美國的政策大刀下被迫退守，在行業景氣週期還能吃肉，一旦出現經濟下滑遇到行業冷週期，日系廠商就會死傷無數。
在臺灣臺積電代工以及韓國記憶體的進攻下，日系企業在記憶體以及先進數字晶片製造方面節節敗退。
2012年，日系記憶體最後的獨苗爾必達公司被美光以25億美金的白菜價收購。2017年東芝儲存也因為東芝集團自身的財務問題，最終被美系資本收購控股後改名鎧俠，曾經輝煌一時的日系儲存消失殆盡。
在光刻機上的技術優勢，日本一直維持了近20年，直到當年那個不起眼的歐洲小公司，羽翼豐滿，接連發起 “浸沒式系統” “TWINSCAN系統” “EUV光源” 三大技術戰役，最終將日系廠商斬於馬下，登上王座。
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平房裡誕生的巨頭
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1984年，成立之初的阿斯麥
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圖源：youtube。com
1980年代初，自身財務狀況不佳的飛利浦思來想去最後決定關停自己的光刻機專案，於是去美國找Perkins Elmer、GCA、Cobilt、IBM等公司談了一圈，但是沒人願意合作。
1984年4月1日，飛利浦終於聯合晶片機器製造商 Advanced Semiconductor Materials International（ASMI）成立一家新公司阿斯麥，就在荷蘭埃因霍溫飛利浦辦公室附近的漏雨廠棚裡。憑著1970年代開始研發的一些技術積累，阿斯麥同年釋出了第一臺光刻機PAS 2000。
新公司建立之初，雖然頂著飛利浦Natlab的光環，可在當時，阿斯麥的光刻機無人問津。唯一買過幾臺的還是Elcoma，它是飛利浦半導體和材料事業部，算自己人照顧一下，但是因為使用油壓導致問題太多，大部分時候只能閒置在一旁。
1986 年，採用新的對齊技術的 PAS2500 步進機推向市場。同年，阿斯麥與鏡頭製造商 Carl Zeiss 建立了合作伙伴關係。
之後，阿斯麥挺進亞洲市場，1987年臺積電誕生，為臺灣工研院和飛利浦的合資公司。
但面對激烈的競爭，阿斯麥的客戶很少。更糟的是，股東ASMI無法維持高額投資，回報微乎其微，決定退出，老東家飛利浦也宣佈了大規模的削減成本計劃。在命懸一線之際，阿斯麥高管聯絡了飛利浦董事會成員Henk Bodt，後者說服他的同事伸出援助之手。
很快，阿斯麥推出了PAS 5500。憑藉其行業領先的生產力和解析度，PAS5500實現了盈利。1995 年，阿斯麥在阿姆斯特丹和紐約證券交易所上市，成為一家完全獨立的上市公司。
1995年2月，第一臺PAS 5500到達三星的工廠裡，那時三星已經是最大的記憶體製造商。三星用PAS 5500開發了一項0。25微米工藝用於生產16Mb記憶體顆粒。隨後幾年，韓國人完全信任荷蘭人的步進式光刻機。
PAS 5500非常優秀，當時除了日本和美國市場外阿斯麥勢如破竹，但是由於客戶的慣性，英特爾、IBM們依然更多選擇了尼康的光刻機，阿斯麥當初雄心壯志是否還有機會實現？
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挑戰尼康
時間來到1990年代末，隨著摩爾定律的繼續演進，工藝開始從130nm進入90nm，晶圓尺寸也從8英寸升級到12英寸。與此同時，光刻機的波長也從248nm進入到193nm，但沒想到的是，產業在193nm波長上，一卡卡了近20年。
直到2002年7月，在比利時布魯塞爾舉行的157nm微影技術研討會上，臺積電的林本堅做 “浸潤原理” 的專題演講，他說， “不得了，我找到了134nm波長的光波”。
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發明浸沒式方案的林本堅博士
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圖源：林本堅
所謂 “浸潤原理” 就是在晶圓光刻膠上方加一層水，水的介質折射率是1。44，因此193nm/1。44≈134nm。因此在不改變光刻機波長情況下，使得193nm的波長能等效出134nm的波長！
尼康一直在光源上做文章，專注於如何縮小波長。此時的尼康宣佈自己的 157nm產品及EPL產品樣機完成，但測試後實際情況不盡人意。
2004年12月，日本半導體展SEMICON Japan開幕，阿斯麥正式推出浸沒式光刻機的原型機，並證明浸沒式光刻機方案具備可行性。
2006年，阿斯麥的XT 1400i進入英特爾並順利透過40nm工藝的驗證，一年後英特爾下了大訂單，其餘廠商紛紛效仿，購買阿斯麥更成熟的產品。在光刻領域2000年還是老大的尼康，到了2009年被阿斯麥反超，市場佔有率只剩不到3成，而阿斯麥的市佔率則近7成。
尼康的乾式157nm敗給了阿斯麥的193nm加浸沒式的方案。你或許會問，尼康當年為什麼不趕緊換個賽道，切到浸沒式光刻機的路線上？
原因是當時阿斯麥193nm最後一片鏡片是平的，可以無縫對接浸沒式系統，而尼康則是曲面鏡片，必須重新設計整個物鏡系統，這至少要花費2年的時間。
哪怕尼康當時也能拿出類似的浸沒式光刻機也未必能翻盤。新裝置總是需要用幾年時間多家廠商通力磨合，別人比你早量產，就比你多了時間去改善問題和提高良率，這讓後者更加難以超越，一步落後，步步落後。
193nm浸入式光刻成功翻越了157nm大關，直接把工藝帶到40nm以下。加上後來不斷改進的高NA鏡頭、多重曝光技術、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術，193nm浸沒式光刻機一直做到今天的7nm，臺積電第一版N7工藝就是採用193nm浸沒式光刻機。
尼康兵敗157nm，失掉了第一次機會。
2020年，阿斯麥出貨了史上第一套乾式NXT系統。這是第一套能夠每小時處理超過300片晶圓的光刻系統——而這得益於該系統上的最新的TWINSCAN平臺技術。
TWINSCAN，雙掃描工件臺，是阿斯麥保持競爭力的最大秘訣之一。
早在1990年代初，當PAS 5500出貨的時候，精密器械和干涉儀專家 Bert van der Pasch 教授，也正在進行干涉儀系統和晶圓傳送模組的研究，隨後他加入阿斯麥成為光刻掃描器位置測量系統的專家。
Bert帶領團隊持續創新讓PAS 5500一直處於領先地位，提供了當時行業領先的生產力和解析度。隨著新時代到來，阿斯麥意識到，需要一個革命性的創新，助力尤其是臺積電這樣對高產能有強烈需求的客戶，實現下一個階段的飛躍。
回顧起來，解決方案其實很簡單。圖案在曝光到晶圓前，必須對晶圓進行精準量測。量測和曝光都需要時間，為了減少每個過程需要的時間，為什麼不在曝光一個晶圓的同時，對後一個晶圓開始進行量測和對準工作呢？就這樣，TWINSCAN系統誕生了。
TWINSCAN是第一個具有雙晶圓工作平臺的光刻系統。晶圓被交替地裝載到平臺上，當一個晶圓曝光時，另一個晶圓裝到二號平臺進行對準和測量，然後兩個平臺交換位置，原來在二號平臺的晶圓進行曝光，而一號平臺的晶圓完成解除安裝。然後，新的晶圓被裝載，進行對準和測量工作。
這種量測對準和曝光同時進行的並行方案極大提高光刻機單位小時內的產能。2001年，首個採用這種革命性技術的光刻機出貨——TWINSCAN AT：750T型光刻機。
之後，TWINSCAN系統跨越阿斯麥各個平臺型號的光刻機，擴大了技術範圍，讓所有晶片層都能在新平臺上曝光。
阿斯麥依靠TWINCAN系統與浸沒式系統形成雙劍合璧，讓尼康徹底敗下陣來。時至今日，受制於專利和技術的尼康依然在苦苦追尋更好的能對標TWINSCAN的方案。他們曾選擇用外掛部件的方案，但效果不盡人意，依然邁不過這個門檻。
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邁進EUV
光刻技術的下一步輪到了EUV。從上世紀80年代開始研發，時至今日EUV終於成熟。如果世界沒有EUV會怎麼樣？也許就永遠卡在7nm工藝了。
EUV也就是極紫外光，在電磁波譜中，極紫外光是紫外區能量最高的部分，它的波長範圍為100奈米到10奈米，低於深紫外光，再往下就是 10nm的X射線了，屬於電離輻射區。
EUV光刻機，可能是迄今為止人類科技領域所能達到的最尖端的技術成果。
現在阿斯麥的NXE系列的EUV光刻機一臺要賣到一億多美金，高NA版本的EXE 5000系列已經要賣3～4億美金一臺。
在EUV的研發歷史上，90年代EUV LLC聯盟的誕生十分重要。
1997 年，英特爾看到跨越193nm的巨大難度，決心集全人類精英一起愚公移山。他們說服了美國對高科技最開明的克林頓內閣，以公司形式發起了EUV LLC 這樣的合作組織。
這個組織由英特爾和美國能源部牽頭，集合了當時還如日中天的摩托羅拉以及 AMD，以及享有盛譽的美國三大國家實驗室：勞倫斯利弗莫爾實驗室，勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室，投資兩億美元，從理論上驗證 EUV 可能存在的技術問題。
英特爾還力邀阿斯麥和尼康加入EUV LLC，因為當時美國光刻裝置公司基本已經凋零。但此舉受到美國政府的阻撓，因為他們捨不得讓外國公司分享美國最前沿技術，認為不能有 “外人”。
此時阿斯麥展示出了驚人的技術前瞻性，一定要擠進EUV LLC，雖然這個組織的目標是為了論證EUV技術的可行性，而不是量產。阿斯麥強力遊說，開出了很難拒絕的條件——由阿斯麥出資在美國建工廠和研發中心，並保證55%的原材料都從美國採購。
最終結果是尼康被排除在外，更為開放的阿斯麥做了一堆對美國貢獻的許諾後被允許加入。另外一家例外的非美國公司是當時還是記憶體霸主的英飛凌，它被允許和美光一起加入EUV LLC。
從1997年到2003年，6 年間EUV LLC的科學家發表了幾百篇論文，驗證了 EUV光刻機的可行性。理論驗證完成後，EUV LLC聯盟宣佈解散。接下來實際問題都拋給了行業。
為了研發EUV系統，阿斯麥前前後後在將近20年時間內投入上百億美金的研發費用。其實，阿斯麥完全可以繼續躺在DUV光刻機上賺錢，但荷蘭人依然保持初衷，拒絕躺平，選擇再次向技術巔峰發起衝擊。
EUV光有個最大的問題是無法穿過任何物體，包括空氣。所以機器內部得抽成高真空狀態，為此當年阿斯麥和蔡司花了巨資共同建立了一座全球最大的真空腔體實驗室，來模擬真空環境下遇到的各種問題。
此外，對EUV光刻機而言，如何產生光源以及控制光路前進的鏡頭部分也是兩大挑戰。
13。5nm的EUV光無法穿過透鏡，因此物鏡系統變成了反射鏡片。而現實世界中沒有任何材料可以在單層中反射大部分EUV 光，因此蔡司設計了一種由鉬（部分反射EUV光）和矽（對EUV大部分透明）交替組成奈米層的反射鏡，用來反射並控制EUV光路。
這些反射鏡片的製造工藝相當複雜，不同材料用鍍膜工藝一層層疊起來，多達數十層。其表面需要幾乎完美光滑和乾淨，每個奈米層都需要具有精確定義的厚度，其表面誤差在0。01nm以內，相當於北京到上海做根鐵軌，起伏不超過 1 毫米。
2006年，阿斯麥實驗室裡出現了EUV的原型機，四年後的2010年，在阿斯麥手中誕生的人類第一臺EUV工程樣機：NXE 3100。
圖6
EUV光刻
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圖源：asml。com
第一臺試驗型EUV光刻機設計了13片反射鏡，隨後減少了到9片，由於每次反射有損耗，9次反射後剩餘能量只有可憐的1。007%。9片反射鏡已經是極限，沒法再少了，再少解析度就不行了。
所以第一臺驗證機NXE 3100只能做到每小時曝光30片，這當然是無法滿足客戶要求。想要增加產能，就必須增大光源功率。
當時阿斯麥的光源供應商是美國公司Cymer。在研發EUV光源的時候Cymer壓根就覺得，這是一項不可能完成的任務，比較敷衍，最開始光源只有30W功率，一小時根本曝光不了幾片晶圓，弄了幾年還是原地踏步。
看不下去Cymer磨洋工後，2012年阿斯麥以26億美金收購了Cymer，讓Cymer成為阿斯麥的子公司。花了無數心血後，最終把光源功率從30W硬是弄到250W，就這樣產能提高到了每小時125片，勉強能達到商用標準。
EUV光源產生方式不同於此前的準分子鐳射器。為了產生波長13。5nm超短波長的光，科學家們想了一個辦法：用波長為9。2-10。8微米的二氧化碳鐳射器去連續轟擊從空中掉落的金屬錫液滴，這個錫滴直徑只有不到13微米，錫滴受激汽化後就能產生所需的13。5nm的光。
第一次脈衝轟擊把錫滴壓平變成餅狀，受光面積變大；第二次轟擊餅狀的錫滴將其汽化，兩次高能鐳射脈衝可將該錫滴瞬間加熱至50000K，從而使錫原子加至高能態，並回歸至基態釋放出13。5nm的紫外光子。
為了保證光的持續性和強度，這個錫滴從噴射被噴出的頻率是每秒5萬滴，因為是分兩次轟擊，因此等於一秒內精確打中錫滴十萬次，分毫不差。
在解決一系列難題後，EUV光刻機終於被小心翼翼地搬入各大晶圓工廠，開始為晶片製造工序中最核心的光刻工藝工作，於是有了現在的7nm、5nm晶片。甚至未來的3nm，2nm，1nm，也將由EUV光刻機來生產。
阿斯麥在EUV上的成功，也徹底斷了尼康的一切念想。在光刻機市場，阿斯麥佔到90%以上，尼康在角落裡苟延殘喘，佳能早就不玩高階光刻機了，只在更低端的領域混口飯吃。
不過，尼康雖然在光刻機市場競爭中目前敗於阿斯麥，但仍然是光刻機界的主要玩家，且尼康的其它產品非常多，也很成功。
這20多年時間內，依靠 “TWINSCAN系統” “浸沒式系統” “EUV系統” 三大戰役，阿斯麥徹底把昔日的巨頭尼康踩在了腳下。當年那個平房裡不起眼的小公司，成了今天的絕對霸主。
（本文得到中國科學院微電子研究所研究員韋亞一審閱，特此致謝。）
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