8月6日，#台积电2nm工艺突然泄密 的话题冲上热搜第一，大家再次把视野聚焦到了芯片制造行业。而这个行业中绝对绕不开的话题就是光刻机，以及制造它的王者阿斯麦（ASML）。

频年 来不断有人提出疑问，芯片制造触遇到了物理极限了吗？为什么技术进步 云云迟钝？而人类会被锁死在1nm吗？

这期视频，我们将从技术角度，详细聊聊光刻机的现状与未来。

作为天下上最赢利的机器，它的核心部件，环球仅有两人能手工保护 ；更离奇的是，只需几个“屁”，就能让这台代价数亿美元的机器，减产几小时。

ASML新一代High-NA EUV光刻机造价飙升，英特尔抢先入手，台积电又为何却夷由不决？早就拿到了High-NA EUV的英特尔，为何依然没有量产2nm以下的芯片？

而不怎么着名的日本厂商Rapidus又为何开端 了2nm的试产？光刻机又将怎样冲破 物理与成本的“双重围剿”？

AI怎样成为它进化的“新燃料”？而擅长 制造精密机器的ASML，又为何多次因“低级疏忽”导致股价大跌呢？

01 拆解光刻技术：锁死芯片命门的物理咒语

拆开一台DUV光刻机，就会发现实在光刻的道理 异常 简朴。

首先是光源（Source）模组，负责发射波长很短的光，穿过印有芯片电路图的掩膜版（Mask）、光瞳（Pupil）以及一组硕大的透镜组，将掩膜版上的图像，等比缩小打到涂有光刻胶的晶圆（Wafer）上，这就完成了一次光刻。

这个进程 就像我们小时间的一种玩具，在激光笔前面加一个刻有图像的透镜，就能打出成倍放大的雷同图像。在光刻机中光路则是反过来、成倍缩小的。

固然芯片制造的流程远不止光刻这一步，光刻胶被照射后会硬化，后续还要颠末显影、刻蚀、光刻胶去除、离子注入、薄膜沉积等步骤才华成为芯片。

芯片是由晶体管构成，同样面积下晶体管越多，芯片机能 也就越强。而光刻机的分辨率越高，就能打印出更小的电路图。

在ASML各地办公室的墙上，你都可以看到这样一条公式：CD即是K1乘以λ除以NA，这就是瑞利判据（Rayleigh Criterion），决定了光刻机的分辨率上限，也意味着要缩小芯片制程，要么降低K1和λ、要么进步NA。

02 光的波长λ

大家经常听到的“EUV”、“DUV”光刻机，是依照 使用光源的波长来分类的。上一代光刻机采取深紫外光（DUV），现在最尖端的使用了极紫外光（EUV）。

接下来我们看看EUV是怎样产生 的。

Chapter 2.1 LPP技术：每秒十万次轰击

留意看，这条细细的线，实在并不是一根线，而是以每秒5万颗速度喷出的锡滴，每颗锡滴大小 为30微米，只有头发丝的一半。

喷出这些锡滴的喷嘴经常会被堵塞，而要改换 喷嘴，必要将两根几乎看不见的线，精细地环绕胶葛 在喷嘴处，这个进程 无法使用任何机器，环球只有两小我 可以手工完成，此中一人名为Joann。以是有这么一句话，“与Joann握手时，请务必警惕！”。

这个喷出锡滴的装置，就是ASML EUV光刻机的光源模块。光源模块可以说是光刻机中最核心的部件，怎样“稳固”且“高功率”得到波长更短的光，就是光刻机进步 的挑衅之一。我们先来看看ASML是怎样产生 极紫外光的。

他们首先将高纯度的液态锡，利用惰性气体施压，喷出成锡滴，也就是我们前面看到的“细线”，然后先用能量较低的激光轰击，将锡滴打成饼状，再用高能量的激光轰击锡饼，形成等离子体，此时就会辐射极紫外光，再通过收集镜捕捉，传递到掩膜版和镜片组。

但每次操纵只能产生 零点零几秒的光，以是才有了我们前面提到的，每秒必要喷出5万颗锡滴，同时激光要完成10万次打靶，才华产生 稳固的EUV光源。这被称为激光等离子体光源，简称LPP（Laser-Produced Plasma）。

固然EUV光刻机2019年才正式投入商业量产，但ASML第一代EUV光刻机早在2010年就生产出来了，而当时无法投入量产的缘故原由就在于，光源部分的功率不敷，只有不到10W，这就会导致每颗芯片必要曝光的时间更长，最终每小时只能生产5到10颗芯片。

直到2017年7月，EUV光源功率达到了250W，才得以推动EUV光刻机的商业化，到2023年时，ASML的光源功率提升到了600W，现在正在攻克1000W的目标。

这也意味着目前的EUV光源还会使用许多年，短期内要降低芯片的制程，不会从光源入手。

Leo Pang（庞琳勇）

斯坦福博士、SPIE Fellow

美国RevoLinx公司总裁：

大家一样寻常是不喜欢变光源的波长，因为 光源的波长不只是跟光刻机有关。曝光了之后，相当于要去做显影，然后才华把图案做出来，针对不同光的波长的（Photo）Resist（光刻胶），实在它是完备 纷歧 样，实在 没有办法 了，再换下一个光源。然则 一个光源，一个波长的话会连续许多代，（EUV光源）至少会（用）到2035年到2040年。

Chapter 2.2 DPP、LDP、SRS、FEL等其他技术

除了ASML，市场中的其余 玩家也在想办法 攻克极紫外光的生产。

比现在年3月，中科院上海光机所就公布了一项研究，称可以在ASML采取的LPP计划 中，利用固体激光器更换原有的二氧化碳激光器，同时将液态的锡滴更换为固体锡，由此可以缩小光源布局并增大输出功率。

除了LPP外，尚有DPP、LDP、SRS、FEL等计划 ，具体细节我们就不深入了。有新闻 称，华为东莞工厂 正在测试基于LDP的EUV光刻系统，不过初期光源功率只有80W，筹划于2025年第三季度举办 试生产。

总结一下，EUV光源的演进异常 具有挑衅，预计还会连续多年的情况下，目前提 升光刻机精度的本事，就要落在数值孔径NA上了。

03 数值孔径NA

“对不起，你得把内裤也脱掉。”

假如你在蔡司的无尘室里听到这句话，可万万别当成一句玩笑 ，因为 在进入前，不但要穿上无尘服，而且亵服也必须 换成无纤维的。

这些严酷的清洁 措施，是为了确保高数值孔径（High-NA）透镜生产时的无尘情况，因为 精度请求 太高了，容不得一点灰尘。

Cathy

光学工程师：

把一个30厘米尺寸（的透镜），假如你想象它放大到德国这么大，它的表面 不平整度就只有一个足球这么大，这就是从一个宏不雅 的角度来怎样明白它的不平整性。

为什么High-NA透镜的精度请求 云云高呢？在剖析 High-NA之前，我们先来表明下，数值孔径NA、与High-NA是什么。

Chapter 3.1 NA与透镜组：最接近“水滴”的人造物

在DUV光刻机的布局中，光线要通过一组硕大的透镜组，才会打到晶圆上，NA表现这些透镜收集光线的本事。

假设这里有一块凸透镜，当一束光进入凸透镜时，光路会改变，以是凸透镜能聚焦光线，进步亮度大概光的能量。但假如光的射入角度过大，凸透镜将无法完成这个角度光线的折射。

以是要提升NA值，要么在焦距不变的情况下，把凸透镜面积做得更大，要么增长凸透镜的曲率，也就是变得更厚。

你可能会疑惑，既然一个凸透镜就能完成光线的聚焦，为什么光刻机中必要那么多透镜呢？简朴来说，因为 球面镜存在像场曲折 的现象，导致成像打到晶圆上时会被扭曲。

另外还会存在各种像散、畸变、慧差等题目，以是必要加入各种透镜来赔偿画面，将一片曲率大的透镜分成多个曲率更小的透镜，减小光学系统的误差，这就形成了硕大的透镜组。

相机镜头的道理 也和光刻机类似，有句玩笑 话说“摄像穷三代”，大家的钱主要献给了这些庞杂 的镜头设计了。

但到了EUV光刻机上，布局就不太一样了，由透镜变成了反射镜。主要缘故原由就在于，EUV光线会被其他介质吸取，这时岂论是透镜还是水都用不上了。

Cathy

光学工程师：

EUV光刻机的透镜用的不是传统的透镜，而是反射镜，反射镜也不像是传统的大家认识的镜子去做金的镀膜，而是用一种叫做布拉格反射的技术。布拉格反射的道理 实在就像一个衍射光栅，衍射光栅的道理 跟蝴蝶的翅膀异常 像，它是有许多渺小 的布局在上面。然后当光打上去的时间，假如光波的波长对的话，它就会从特定的角度反射出来，它的表面 的滑腻 度要到一个纳米以下，就是一个原子尺寸的一个精度。

以是到了EUV光刻机上，要增长NA值，就得把这样一块滑腻 得像《三体》中“水滴”的反射镜做得更大。

Leo Pang（庞琳勇）

斯坦福博士、SPIE Fellow

美国RevoLinx公司总裁：

那你说这个器械 能不克不及 再做得更大呢？实际上做履新 不多两米，就差不多到极限了。它的（表面 ）平整度现在已经到一个原子了，从这个角度来讲的话，它基本上是已经没办法 做大了。

有趣的是，在其他业内子 士看来，相比其他部件，制造更高NA的透镜都不算难事儿，那High-NA EUV遇到的真正挑衅是什么？为什么英特尔抢先订购了两台，而台积电却夷由了很久？

Chapter 3.2 High-NA EUV：变形镜片

2014年，ASML参加了硅谷的一个技术展现 会，展出了初代的EUV光刻机实验品。不幸的是，因为 光源功率不敷，展现 进程 异常 失败，这样的效果一度让台积电对EUV光刻机的信心降至冰点，同时美国剖析 师也讥讽 道“摩尔定律已死”。

然而就在同一时间，第二代EUV光刻机，也就是High-NA的研发工作却已经开端 了。为什么第一代EUV还没准备好时，High-NA就开端 研发了呢？

Cathy

光学工程师：

当他们设计（第一代）EUV的时间，大家很显然地说是会分列一下，说哪些是技术难点。最开端 肯定 的是光学异常 艰苦 ，因为 光的波长也换了，极紫外光异常 地欠好把握 ，以是光学系同一定是最难的，然后可能是掩膜比力难做，然后可能是材料比力难做，然后末了就是光源。

然则 究竟上蔡司很早就把第一个事情来办理了，他们认为 是很难的器械 ，并不是最难的器械 。末了发现光源没有一个很好的计划 。

第一代EUV还在办理光源题目时，蔡司早早地就办理了透镜艰苦 ，转而去研发第二代High-NA了，那为什么ASML纷歧 开端 就用更大的NA呢？

Cathy

光学工程师：

举例来说，光刻机基本的概念是把它的掩膜，举办 一个缩小倍数。他们之以是没有选择一个更大的（NA）参数去做，并不是说光学系统本身做不到，而是假如当它的（NA）倍数过大的时间，（掩膜图案）它缩小得过于小，会引起其他一些系统参数的降落。假如它的放大倍数过大的时间，大概说它的NA相差过大的时间，它的景深变得过小，那么当它芯片的高低 有一点点波动，放置的位置有一点波动，大概光刻胶的厚度比力厚的时间，它会造成高一点和低一点的处所 得到 的效果纷歧 样，这就会造成系统其他级其余 误差。

同时NA和它的放大倍数有关，假如它的放大倍数过大的话，它每次只能刻一点点芯片，那么它刻完备 部 Wafer（晶圆）的时间，它必要的时间就异常 多。导致客户必要更多的时间来完成这些芯片，每个芯片的成本也就更高。

EUV尚有一些其他的效果，好比说它的（反射）角度过大的时间， NA过大的时间，光学的偏振效应会浮现 出来，这也必要再有后期的correction（矫正）。然则 当有太多的器械 必要赔偿的时间，大家就会说那可能还是从前不是那么大的NA比力好一些。

尚有一个缘故原由，就是High-NA必要预计至少500W的光源，以是ASML不停在等候光源功率的提升。

简朴总结下，提升NA后，会导致缩放的倍数更大，也就是打到晶圆上的图案更小，这就会降低光刻速度，同时也会引起其他参数的改变，反而必要花更多精力修改 回来。

那么High-NA EUV是怎样提升的NA呢？这就要说到“变形镜头”Anamorphic Optics。

变形镜头是水平与垂直标的目的 具有不同放大率的透镜组合，好比在水平标的目的 上压缩 8倍，进步有用分辨率，在垂直标的目的 只压缩 4倍，来赔偿景深损失，降低光刻胶不平整度带来的误差。

这样就相当于把一个正方形图案，压缩 成了长方形，以是它被称为“变形”镜头。

Cathy

光学工程师：

在电影行业内里 ，实在现在好坏常广地在使用Anamorphic Optics（变形镜头）的道理 。

ASML官方传播鼓吹 ，High-NA相比第一代的Low-NA EUV，将光刻机的CD从13nm降低到了8nm，打印的晶体管大小 可以缩小1.7倍，让芯片制程推进到2nm的节点。

早在2023年12月，ASML就向英特尔交付了环球第一台High-NA EUV光刻机，后来第二台也被英特尔收入囊中。

英特尔对High-NA EUV异常 积极，但环球第一的芯片代工厂 台积电却夷由了。此中最大的缘故原由呢，还是在于“钱”。

因为 High-NA EUV光刻机的设计更庞杂 ，价格自然也水涨船高。第一代Low-NA EUV价格为2亿欧元，但到了High-NA上，价格来到了3.5亿欧元，也就是涨价了75%。

Leo Pang（庞琳勇）

斯坦福博士、SPIE Fellow

美国RevoLinx公司总裁：

它一会儿 比从前贵了许多，这是一个缘故原由，另外一个缘故原由就是，它的（光刻）效率反而是变低了。

固然它（ASML）说它的（晶圆工台）移动的速度是变快了，但也没有变快两倍。以是末了就变成，你还要去考虑这两个Mask（掩膜板）怎么把它末了的芯片，能够 接的时间接得不错，而且这两个Mask（掩膜板）还要订交 换，以是这是一个比力大的题目。

Intel就说那我们要把这Mask（掩膜版）做成一个（长方形），不是本来 谁人方的了，让它可以一次印出来。然则 至少目前全部 行业对此还没有形成一个共识，以是还不知道是什么时间的事情。那这样的话台积电就以为（High-NA）这个器械 耗费太多，它的收益没那么好。它假如不消High-NA的话，它就去做（Low-NA）EUV的Double Patterning（双重曝光），或是Triple Patterning（三重曝光），分辨率的进步实际上更大。以是就是各自有各自的考量。

因为 High-NA EUV采取了变形镜头后，反而使光刻的效率降落了，再加上目前行业对于怎样使用High-NA还没有告竣共识，而且第一代的Low-NA EUV也能通过多重曝光，来生产2nm芯片，是以 台积电对是否订购High-NA异常 夷由。

不过夷由归夷由，High-NA EUV依然是下一代光刻不成 或缺的设备。以是我们看到，台积电在2024年下半年依然决定下单了。

可既然英特尔早在1年半前就拿到了High-NA EUV，为什么现在还没能正式量产2nm以下的芯片呢？

Leo Pang（庞琳勇）

斯坦福博士、SPIE Fellow

美国RevoLinx公司总裁：

Intel它此次 的话确切 比力激进，以是它在这个机器还没有完备 ready的时间，它就把这个机器拿进来了，因为 High-NA的机器它现在不是说在ASML的工厂 里边装好了，然后拆了再过来，现在是每一个它的component（零部件），都是直接从它（ASML）本来 的供给 商那就直接到了Intel，然后在这第一次把它组装。以是从它的调试的进度来看的话，它实在还是挺快的。

本年的5月中旬，英特尔宣布其18A制程，也就是1.8nm，进入了风险试产阶段，我们也会继承关注 后续希望。

Chapter 3.3 Hyper-NA EUV：芯片行业的回光返照

固然High-NA还没能正式用于量产芯片，但ASML已经在2024年6月，提出了下一代的EUV光刻机，那就是NA值提升到0.75的Hyper-NA EUV，预计将于2030年面世。

就像我们前面说到的一样，提升了NA值后，会导致光刻机的焦点过小，这也对系统的其他部件提出了更高的挑衅。

好比与ASML合作开发光刻机的Imec先进图案化项目总监Kurt Ronse表现，在High-NA时，就已经将晶圆上的光刻胶涂抹的更薄了，到Hyper-NA时，怎样涂抹光刻胶也将会是更大的挑衅。

在采访嘉宾看来，Hyper-NA隔断实际应用还太迢遥，接下来十年内，光刻机的重点依然是High-NA。

Cathy

光学工程师：

每一代的NA，因为 它是和其他系统参数均衡的效果，以是每一代的NA都是至少是连续十年的。我们可以认为 现在这样一个0.55的（High）NA应该是接下来几年主要统治的标的目的 。

不过对于Hyper-NA真正的挑衅并不是技术艰苦 ，而是商业艰苦 。

Marc Hijink

《新鹿特丹商报》(NRC Handelsblad）记者

著有《芯片制造——光刻巨头ASML传奇之路》：

一如既往地，这些设备可能异常 昂贵。而对相关行业而言，症结 在于它们只能购买能真正发明 附加值的设备。是以 这些设备必须 具备经济可行性，而这正是ASML当前研究的课题。

根据猜测，Hyper-NA EUV的造价可能会达到6亿多美元，但相比High-NA能将CD降低到8nm，Hyper-NA仅能降低到6nm，台积电连3.8亿美元的High-NA都嫌贵，那Hyper-NA是否还会有市场？大概说是否有必要呢？

Leo Pang（庞琳勇）

斯坦福博士、SPIE Fellow

美国RevoLinx公司总裁：

我以为还会有市场。这个题目实际上在几年前的时间，半导体（行业）大家还是挺疑虑的，因为 谁人时间大家认为 平板电脑大概是条记本电脑，已经跑得充裕 快了，没必要再往下做了，然则 AI就出来了。

当你有了大模型 之后，GPU的算力什么之类的是远远不够的。现在它能够 把它（GPU）卖3万美金、4万美金，而且还是供不应求，这就说明它（芯片）能够 产生 的代价，是远远大于它的成本。

以是我以为现在，在大模型 出来之后的话，半导体确切 又从我们从前的许多年都以为是个夕阳产业，然后现在变成了一个异常 向阳的产业了，尚有许多许多事情要做。

我们简朴总结下，目前最尖端的High-NA EUV预计本年下半年用于芯片量产，并将主导光刻机行业十年摆布 。固然下一代Hyper-NA的成本暴涨，但跟着 AI的发展 ，芯片行业好像又回到了向阳产业。而AI不但带动了芯片的需求，甚至还推动了光刻机的进步 。

04 工艺因子K1与盘算光刻

Chapter 4.1 精密制造：“屁大点事”带来的生产劫难

已往，在英特尔亚利桑那州的一个工厂 内，每到夜深人静时，光刻机的产量总会莫名其妙降落几小时，这段时间内，工厂 几乎无人操纵，唯一的改变，就是工厂 外会刮起一阵风。

听上去是不好坏常玄学？研究人员 颠末长时间排查，末了发现缘故原由竟然是“屁大点事”。

本来 这个工厂 附近有一家奶牛场，每到凌晨1点时，风向会产生 改变，将奶牛们放的屁吹到工厂 里，因为 屁中含有甲烷，会通过氛围净化器进入无尘室，末了导致了芯片生产时良率降低。

Marc Hijink

《新鹿特丹商报》(NRC Handelsblad）记者

著有《芯片制造——光刻巨头ASML传奇之路》：

以是英特尔只有一次机会，他们不得不收购周边的奶牛场，以排除潜在题目。是以 ，必须 借助软件来猜测那些渺小 的毛病，并确保机器的稳固运行