極紫外線（EUV）微影技術：晶片未來發展的基礎技術

在討論晶片的未來、最強大的手機或即將到來的人工智慧時，總會有一個詞在對話中出現： 極紫外光微影技術，也稱為 EUV 微影技術這項技術既是限制世界尖端半導體技術發展的瓶頸，也是推動其進步的動力。

雖然這個概念聽起來非常技術性，但了解EUV光刻技術是什麼、它的工作原理、誰控制著它，以及它對地緣政治和全球經濟的影響，是理解晶片短缺的原因、一些國家為何爭奪這些設備以及像EUV這樣的公司為何如此重視EUV技術的關鍵。 ASML、台積電、三星或英特爾 它們已成為全球戰略要地。

什麼是極紫外線（EUV）微影技術？

在半導體產業中，EUV光刻指的是一種 利用極紫外光的微影技術 其波長為 13,5 奈米，位於電磁波譜中所謂的軟 X 射線區域。此波長遠短於可見光（400-700 奈米），也短於深紫外（DUV）光刻的波長，後者通常工作在 248 奈米（KrF）或 193 奈米（ArF）。

使用這種極短波長可以 定義更小、更密集的圖案 在矽晶圓上，這意味著可以將數十億個電晶體整合到單一晶片上。每一代新的光刻節點（7奈米、5奈米、3奈米、2奈米、1,8奈米…）都帶來速度更快、容量更大、性能更強的晶片。 顯著降低的能源消耗.

無論是採用深紫外光刻或極紫外光刻，其基本原理如下： 將幾何圖案投射到塗有光阻的晶圓上這種光敏聚合物在透過掩模（或光掩模）進行選擇性照射時會發生改變，使曝光區域變為可溶或不溶，從而可以在基底上蝕刻出微觀結構。 EUV光刻的物理原理相同，但係統的技術複雜性卻顯著增加。

一個關鍵事實是： 13,5奈米的波長比它小十倍以上 比ArF掃描儀使用的波長（193奈米）還要小。因此，EUV設備可以列印小於20奈米的細節，而傳統微影技術只能透過非常複雜、緩慢且昂貴的多重曝光技術來實現這一點。

EUV光的產生與處理

以可控方式並具備必要功率產生 13,5 奈米波長的光是 這項技術面臨的主要技術挑戰之一在目前系統中， 高功率二氧化碳雷射光源 它向一滴微小的、移動的液態錫液滴發射兩道極快的脈衝。第一道脈衝使液滴變形；第二道強度較大的脈衝將其汽化，形成等離子體。

這種高溫錫等離子體會發射極紫外線輻射，這些輻射被收集鏡捕獲並發送到光學系統的其餘部分。整個過程以驚人的速度重複進行，大約每分鐘重複一次。 每秒 50.000 次產生足夠強度的光流，以維持工業生產力。

由於極紫外線輻射會被空氣吸收，因此它從光源到晶圓的路徑必須在空氣中傳播。 高品質真空室此外，任何灰塵顆粒或光學元件的任何微小不規則都可能破壞投影影像，因此對清潔度、機械穩定性和振動控制的要求非常苛刻。

反射光學元件、不可能的鏡子和特殊面具

與使用透射透鏡和透明石英掩模的深紫外光刻不同，極紫外光刻基於 全反射光學元件原因很簡單：幾乎所有材料，包括傳統鏡片中使用的玻璃，都會吸收波長為 13,5 奈米的光。

EUV系統不使用透鏡，而是使用由以下部分組成的系統： 超精密多層鏡 這些反射鏡引導並聚焦來自光源的光束到晶圓上。它們由數十層交替沉積的不同材料構成，這些材料以原子級精度沉積，使其能夠在物理極限範圍內以盡可能高的效率反射極紫外線輻射。

然而，即使採用這些精密的解決方案，每面鏡子仍然會吸收相當一部分接收到的光線。 ASML 目前的系統至少使用兩面聚光鏡和六面投影鏡，總共… 大約96%的發射光會損失掉。這就要求極紫外光源非常明亮，以便經過所有反射後，有足夠的能量到達晶圓。

這些掩模也不同：EUV光刻機使用的不是帶有不透明區域的透明板，而是… 反光口罩這些鏡片也是多層的，上面刻有浮雕圖案，並鍍有調節反射的塗層。掩模或鏡片上的任何缺陷都會立即導致印刷錯誤，從而造成晶圓缺陷。

ASML的EUV微影機有何特別之處？

荷蘭ASML公司生產的EUV光刻機，從字面上來說， 一些有史以來最複雜的機器一台第一代極紫外光刻機整合了超過10萬個零件、約3.000條電纜、4萬個螺栓以及近2公里長的內部電線。所有這些都由極其複雜的控制軟體完美協調。

這種複雜程度使得設備體積龐大：每台機器佔用的空間都與…類似。 一輛城市公車 而且它還需要多個輔助模組、冷卻系統、真空設備和精密電子元件。此外，它們並非完全組裝後發貨；而是裝在數百個箱子中運輸，並在客戶工廠現場進行組裝和校準。

ASML的成功很大程度歸功於其技術合作夥伴網路。 這些機器90%的零件都來自其他製造商。 這些產品遍佈全球。其中，有兩個關鍵品牌特別突出：Cymer 和 ZEISS，它們對於極紫外光刻技術的正常運作至關重要。

蔡司的貢獻：物理學的極限光學

另一家重要的合作夥伴是蔡司，這家歷史悠久的德國高精度光學公司。蔡司負責設計與製造… EUV設備反射光學元件 從最初的收集鏡到將圖案轉移到矽上的複雜投影光學元件，均來自 ASML。

這些鏡子必須適用於特定波長的光。 13,5 奈米，保持均勻性和精度 極度波形。表面平坦度極高，即使將一面鏡子放大到國家大小，其表面不規則之處也小於一根草葉的高度。任何微小的偏差都會破壞圖案，使晶圓無法使用。

除了鏡片之外，蔡司也參與了其他產品的研發。 即時校正的感測器和執行器 該系統能夠偵測運作過程中可能出現的微小變形、位移或振動。它還提供軟體，持續監控光學系統的運作狀況，並確保其保持在極其嚴格的公差範圍內。

高數值孔徑極紫外光刻：突破3nm瓶頸的新一代技術

在經過數年鞏固第一代EUV設備後，ASML在其機器方面邁出了下一步。 高數值孔徑，也稱為高NA EUV最具代表性的商業型號是 Twinscan EXE:5200，它被認為是當今世界上最先進的光刻設備。

這些新系統的關鍵在於光學系統數值孔徑的增加：從目前極紫外線設備的數值孔徑 NA = 0,33 提高到 高NA組中NA=0,55從廣義上講，這使得在相同的 13,5 nm 波長下可以列印更精細的細節，從而提高轉移到晶圓上的圖案的分辨率。

由於這項改進，高數值孔徑極光刻設備為積體電路製造打開了大門。 超越3奈米的商業閾值允許 2奈米左右的節點 甚至包括英特爾計劃使用的 18A (1,8 奈米) 技術。此外，ASML 還優化了機械和晶圓處理系統，使得單一高數值孔徑 (High-NA) 設備每小時可處理超過 200 片晶圓，這對於保持晶片成本競爭力至關重要。

高數值孔徑機器的價格估計在… 每單位300億美元這大約是第一代EUV光刻機價格的兩倍，後者售價約150億美元。即便如此，對於想要保持領先的製造商來說，這幾乎是一項必不可少的投資。

具有巨大地緣政治影響力的技術壟斷

在極紫外光刻市場，有一個不容置疑的事實： ASML是唯一能夠生產這些機器的製造商。 從工業規模上來說，這種壟斷地位使其在半導體價值鏈中擁有前所未有的權力。

台積電、三星和英特爾等科技巨頭都依賴ASML的EUV設備來生產其最先進的晶片。 收入的四分之一 ASML 的收入已直接來自 EUV 系統的銷售，還不包括服務合約、升級、培訓和維護。

該技術領域也具有 清晰的地緣政治向度中美之間的緊張關係使極紫外光刻技術成為爭論的焦點。華盛頓向荷蘭施壓，要求其限制向中國出口最先進的設備，旨在遏制中國取得尖端製程節點。同時，佳能等日本製造商正在探索奈米壓印光刻（NIL）等替代方案，理論上該技術能夠生產2奈米製程節點，但就目前而言，極紫外光刻仍然是技術前沿的實際標準。

為什麼EUV光刻技術對當今晶片如此重要

要理解極紫外光刻技術的重要性，最好的方法是看看我們日常使用的設備。許多設備都與極紫外光刻技術息息相關。 智慧型手機、智慧手錶、遊戲機和電腦 最近，兩者都在 晶片設計 就像他們的製造流程一樣，他們使用採用 7nm、5nm 或更低節點製造的 CPU、GPU、SoC 和記憶體，其中 EUV 光刻技術對於某些製程層來說已經是必不可少的。

例如，三星宣布將使用EUV光刻技術來製造其產品。 7nm晶片，稱為7LPP這些技術對於實現高容量 5G 網路、先進的人工智慧應用、物聯網和自動駕駛系統至關重要。該公司表示，與先前的多模式 ArF 技術相比，採用 EUV 技術可降低高達 50% 的能耗，提升 20% 的效能，並減少約 40% 的佔地面積。

蘋果、華為和其他主要晶片設計公司也依賴它們。 使用EUV技術的代工廠 為了能夠提供速度更快、更有效率的設備。這不僅僅是關於原始效能：降低功耗和發熱量對於手機、筆記型電腦和伺服器在合理的散熱範圍內更好地運行至關重要。

EUV微影技術相對於DUV微影技術的關鍵優勢

EUV微影技術的第一個主要優勢是： 列印更小的特徵憑藉如此短的波長和合適的數值孔徑，可以製造出在相同晶片尺寸下，可用電晶體數量比以前技術增加數倍的結構。

這意味著晶片帶有 更強大的處理能力，更整合的內存 最重要的是，每次操作的能耗顯著降低。對於資料中心、通訊網路或大規模人工智慧應用而言，這種能源效率的提升對營運成本有著顯著的影響。

第二個優勢與製程相關：EUV 允許 減少所需的光刻步驟數量 為了達到相同的圖案效果，雖然ArF和多重曝光方法可能需要三到四個不同的曝光才能獲得複雜的結構，但EUV通常只需要一次曝光。這簡化了製造流程，提高了良率，並且從中長期來看可以降低晶片的單價。

此外，由於能夠在更小的表面積上集中更多功能，它為日益整合的系統單晶片架構打開了大門，CPU、GPU、AI加速器、記憶體和特定邏輯模組可以共存於同一塊矽片上——這只有在…時才可行。 極高的集成密度.

EUV技術的當前缺點和局限性

EUV光刻技術的主要障礙無疑是… 這些機器的成本高得驚人。 以及它們所需的配套基礎設施。我們說的不僅僅是單價輕鬆超過一億美元的設備，而是圍繞這些設備建造的整座工廠，包括先進的潔淨室、超強電源和極其複雜的支援系統。

這意味著只有少數頂級晶圓代工廠和整合裝置製造商（IDM）——例如台積電、三星、英特爾等——能夠大規模部署極紫外光刻技術。而業內其他大部分廠商仍使用深紫外光刻技術，這種技術成本更低，也完全能夠滿足其預期用途。 不太先進的晶片 例如應用於汽車、基礎消費性電子產品和許多工業系統的應用。

此外，技術仍然滯後。 技術挑戰 重要因素包括：光源的功率、光學塗層在高能量輻射下的壽命、反射掩模的複雜性，以及在不造成晶圓缺陷的情況下保持高生產率的需求——這些問題在一代又一代的技術中不斷得到改進。

ASML、英特爾、三星和台積電：一條相互依存的鏈條

ASML 與主要晶片製造商之間的合作並非簡單的客戶-供應商關係。例如，英特爾就投資了約 2012年ASML的市值達到4.000億美元 支援首批 EUV 機器的研發，確保優先獲得該技術，並積極參與其研發。

ASML目前正向策略客戶交付其首批高數值孔徑（High-NA）極紫外光微影（EUV）系統。首台Twinscan EXE:5200系統已交付給位於加州希爾斯伯勒的英特爾工廠，此舉符合該公司在下半個十年實現18A（1,8奈米）製程節點的路線圖。 縮小與台積電和三星的差距 在爭奪技術領導地位的競賽中。

同時，三星和台積電正在爭奪有限的EUV光刻產能以及ASML的優先出貨權。受新冠疫情影響，出口延誤問題日益嚴重，有時甚至迫使… 調整路線圖推遲 3nm 等節點的試生產，並重新分配晶圓給蘋果、高通或大型汽車製造商等高價值客戶。

整個生態系統意味著，EUV系統的可用性、ASML的交付速度以及Cymer、蔡司和其他供應商的適應能力已成為決定性因素。 哪些公司、哪些國家正在引領潮流？ 在下一代半導體產業中。

極紫外光刻技術已成為維持摩爾定律的關鍵，用於製造7奈米、5奈米和3奈米晶片，並進入2奈米及以下製程領域。然而，這項技術也是一種稀缺且極為昂貴的資源，由少數幾家企業掌控。了解其物理原理、面臨的挑戰以及市場狀況，有助於我們理解為什麼我們日常使用的手機、汽車或雲端服務實際上依賴分佈在全球各地的少數幾台巨型設備。 ASML及其合作夥伴不斷突破EUV技術界限的能力.