導讀
THECAPITAL
EUV 到底有多火，可能很多人沒有概念。
本文 5387 字，約 7.7 分鍾
作者 | 邵逸琦
來源 | 半導體行業觀察
在光刻機巨頭 ASML 發布的 2023 年第三季度的報告中，EUV 光刻機的預定額爲 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 年内交付，至少要等到 2025 年，但包括台積電、三星和英特爾等巨頭依舊隻能乖乖交錢買期貨，原因很簡單，就是 ASML 目前仍然是藍星上唯一一家能夠量産 EUV 光刻機的廠商。
對于半導體行業來說，技術領先就意味着能賺錢，而獨占了 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 光刻市場預計将從 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爲 21.8 %。
作爲對比，ASML 在 2023 年的總營收爲 276 億歐元，折合近 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 或是更先進制程，它們都需要用到 ASML 所生産的 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，爲什麽 EUV 能這麽賺錢？
01
日本技術
被歐洲 " 偷走 "
對于傳統的 DUV，EUV 的優勢是顯而易見的：
在生産方面，由于 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産芯片；在性能方面，采用 EUV 光刻技術生産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；
對于有志于先進制程的晶圓廠來說，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，才終于來到我們面前。
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于汞燈，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。
爲了實現 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 射線用于光刻的透鏡或鏡子。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爲 10 至 100 nm（我們現在稱爲 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，當時唯一可用于較短波長 X 射線的就是掠射角反射鏡，而多層反射鏡更進一步，爲 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，并在 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，觀衆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說道，" 但是，我的信念沒有改變。"
木村博夫如今已被公認爲是 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，最終成爲摩爾定律的最堅定的捍衛者。
雖然 NTT 不看好 EUV，選擇押寶在其他光刻技術，但公司本身并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，并由此建立了兩國之間在 EUV 光刻技術上的聯系。
" 摩爾定律遇到了麻煩，" 伯克利國家實驗室的 David Attwood 說，" 英特爾指望走在摩爾定律的最前沿，以高價銷售其産品。" 當時 193 nm 氟化氩激光器已經開始用于光刻技術的開發，但 DUV（深紫外光）光刻技術似乎已經走到了盡頭，對于英特爾來說，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滞，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，并得出結論，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布：" 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 等長期競争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。
将光刻技術轉向 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，最初被評爲最後一名的激光産生的錫等離子體源成爲了首選。
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内。直到 2013 年，加利福尼亞州的 Cymer 公司報告稱，通過在主脈沖之前用預脈沖擊中錫，可以将将 EUV 功率提升到 10 瓦以上，雖然還遠遠不能滿足生産要求，但頗具先進之明的 ASML 公司于當年 5 月收購了 Cymer，并開始投入資金加速 EUV 光刻技術的研發。
光學要求也是一大難點。EUV 光刻機将電路掩膜的圖像以所需的納米分辨率投射到矽表面，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，且必須保持一緻，才能達到生産芯片所需的精度。
爲了完成 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。" 将專利概念變成現實需要做大量的工作，"Erik Loopstra 說道，他與 Vadim Banine 一起領導了 ASML 與蔡司的聯合研發團隊，" 自由曲面光學器件将 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，都可以制造。"
2011 年 7 月，ASML/IMEC 完成對 EUV 原型機 / 概念機的各種内部驗證後，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于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 光刻機型号（NXE3350）……
伴随着光源和光學問題的解決，EUV 光刻機終于從 ASML 的工廠走向各大晶圓廠，從試驗原型變爲量産版本，2019 年，首款采用 EUV 光刻技術的商用産品發布（三星 Galaxy Note10 系列），如今的旗艦手機均仰賴于 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 機器在客戶處投入使用，ASML 的技術高級副總裁 Jos Benschop 表示：" 我曾經天真地說 EUV 會在 2006 年量産，最終它晚了 13 年，但許多人認爲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，成爲了全世界半導體延續摩爾定律的關鍵呢？
02
High NA 争奪戰
EUV 的熱銷并不意味着技術的停滞，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，對于 2nm 甚至是更先進的制程來說，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 将提升到 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，并将晶體管密度提高 2.8 倍。
ASML 也詳細講述了新機器的幾大好處。
成像更清晰。EXE 采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，而是在一個方向上将其縮小 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并避免了反射問題。重要的是，它還允許芯片制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态系統的影響。
更高的生産效率。而後 EXE 采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，其相當于一輛賽車在 0.09 秒内從 0 加速到 100 公裏 / 小時。
更簡單的制造工藝。EXE 的 CD 爲 8 nm，使芯片制造商能夠簡化其制造流程，也能更經濟高效地生産先進微芯片。
更快的投産。ASML 盡可能多地重複使用現有的 EUV 技術，并且僅更改提供系統分辨率和生産力增強所需的方面。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戶晶圓廠的過程，客戶将在 2024 年至 2025 年開始研發，并在 2025 年至 2026 年進入大批量生産。
更優秀的芯片，EXE 的 8 nm 分辨率意味着廠商可以将更多晶體管封裝到單個芯片中，這也就意味着芯片将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 這麽好，那麽現在大家應該都在瘋狂給 ASML 下訂單才對，但事實情況并非如此，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，有且隻有三家，分别是台積電、英特爾和三星。
其中，英特爾在 High-NA EUV 上表現得尤爲熱衷，據 Trendforce 稱，英特爾将獲得可能于 2024 年發貨的 10 台 High NA ASML 工具中的 6 台，且還有消息指出，英特爾将獲得第一台 High NA EUV 光刻機。
三星也有明确意向采用 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 還宣布于韓國投資 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，台積電于 2022 年底開始量産 3 納米芯片，并計劃于 2025 年開始量産 2 納米芯片，但在 High-NA EUV 上，目前沒有一個明确的布局，SemiAnalysis 的分析師甚至表示台積電要到 2030 年之後才會真正開始采用 High-NA EUV。
這是出了什麽問題，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 光刻機的價格将介于 3.5 億至 4 億美元，作爲對比，目前熱銷的 EUV 光刻機單價爲 1.5 億至 2 億美元，翻了兩倍有餘，即使是不吝啬于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，很大程度是因爲拿到了蘋果的部分補貼，當時蘋果正在将其生産從三星轉移出去，需要台積電來大規模代工其芯片，而在蘋果介入之前，台積電并不是很願意采用這項昂貴的技術。
如今蘋果就沒有當初那麽大方了，有傳言稱，這家科技巨頭不會爲代工廠的 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。
台積電作爲一家代工廠，升級設備的驅動力并非來自于自身，而是大客戶的需求，這一點極大程度上影響了台積電對于技術升級的選擇，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），讓蘋果爲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，自然是因爲在 EUV 上吃過的虧，台積電正是因爲 ASML 的 EUV 光刻機的幫助，才在 16nm 後反超英特爾，至今依舊保持着制程上的領先，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。
而從另一種角度來說，台積電可能還需要看蘋果的臉色吃飯，作爲代工廠，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，但卻沒有客戶願意多花錢，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。
而英特爾就沒有那麽多顧忌，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，隻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，相較于背靠一兩位 " 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 個闆條箱，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，英特爾無疑是占據了上風。
03
誰是未來？
ASML 早在 2022 年就宣布，會在 2027 年至 2028 年期間每年生産 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，其認爲 High-NA EUV 會逐步替代 EUV 成爲主流，成爲更多廠商的選擇。
但有一部分研究機構的分析師提出了質疑，他們表示，至少對于一些芯片制造商來說，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采用 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 采訪時，ASML 首席财務官表示，High-NA 正在步入正軌且健康發展，分析師低估了其收益，ASML 首席執行官也在财報電話會議上表示，新技術 " 顯然是邏輯和内存方面最具成本效益的解決方案 "。
爲什麽 ASML 這麽有底氣，主要還是 EUV 目前的瓶頸。台積電在最新的 N3B 工藝裏，爲了繼續提升晶體管密度，隻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麽做了，在 7nm 節點上，台積電就曾使用過 DUV 的雙重曝光，如今又在 EUV 上如法炮制。
ASML 認爲，采用雙重曝光會帶來某些缺點，如生産時間更長，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 ) ，讓芯片制造商可以簡化其制造流程，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，蘋果不會按照标準的晶圓價格付費，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 的說法也不無道理。
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産率，将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？
