ASML宣布聯合總裁溫寧克和范登布林克明年4月退休，讓我突然想給過去的一點歷史做個小註腳。看過《光刻巨人》的朋友一定對范登布林克(Martin van den Blink)記憶猶新，他也正是三十年來ASML的技術領路人。

去年范登布林克在接受採訪時，曾暗示目前即將出貨的High-NA EUV光刻機(NA=0.55)可能是ASML最後一代產品。雖然業界已經開始在討論Hyper-NA(超NA，即NA>0.7)，但老範認為它的成本會恐怖到不可能，大概原因是他能看到這一代產品已經把合作夥伴們逼到極限。(註：NA簡單地說，是來描述系統可以收集和聚焦多少的光)

用比EUV更短波長的光(射線)呢？也被否決了。因為波長再降低，反射角調整會導致光損失到難以承受，光路上反射鏡如果增大很多倍會導致光刻機變成個難以生產和運輸的大怪物。

接下來，我們回顧一下，ASML光刻機是怎麼一步步走上「絕路」的。

一、

光刻這個詞，全名Photolithography，簡稱Lithography或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四種顏色的油墨依序上筒，但顯然要確保每次套印一定要對齊。

請記得套印這個字(overlay)，也是把光刻機一步一步逼瘋的關鍵之一。光刻裡面的overlay，一般也是指不同層的圖案對準的精確度。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)，台灣地區乾脆叫它曝光機。

但你要真以為印刷這麼簡單，那就天真了。印刷機的設計不僅要精細計算印版的吸附表面能，也要考慮水和油墨的表面張力和流變特性，而且印刷速度越快溫度越來越高，它們的黏度和厚度又會如何變化？怎麼確保不同顏色不會互相污染？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，也需要理解它怎麼處理各種印刷的精確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)，因為雷射光源越來越珍貴，光頭從方塊光場變成一條線掃描(和影印機那一條光原理橫掃一樣)。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佔鰲頭，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碟，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，迅速打垮了美系那些傻大黑粗。

但隨著摩爾定律的進展，晶片尺寸越來越小曝光多達數十層，對齊套刻(overlay)的挑戰越來越高。日系的精密加工也是有極限的，如同日系消費電子產業從類比轉換到數位後遭受慘敗，軟體控制是對機械控制的降維打擊。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)。

我們在之前的文章反覆提到，日系產品的軟體設計不可思議地奇怪，例如多年後索尼夏普的彩色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，反正日系的軟體基因一直發育不良。

三、

網路上大家都傳，認為浸入式光刻是尼康敗於ASML的關鍵一戰，我倒不這麼認為。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程式碼，有無數的高精感測器和控制器來配合軟體做到奈米級的測量和定位。日系一直拿不出可以事先精測的雙工台，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。

另外一個需要強烈依賴軟體的地方是所謂「計算光刻」。舉例來說，由於光阻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，軟體建模和校正則成為殺手鐧。工業軟體的關鍵就是建模，例如提前算好什麼牌子的膠和什麼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歷史數據和演算法庫。雷射本身也會帶來鏡片或液體溫度的變化，軟體計算後可以透過微機械連動進行動態補償。

四、

由於Mate 60系列的原因，最近大家一直在討論DUV生產7nm晶片，這玩意比現階段使用EUV其實更複雜：透過增加CVD層spacer實現自對準，四次曝光疊加才能完成第一層，這個overlay的精度需要1nm左右。多重曝光大幅提高了光刻在總成本中的佔比：昂貴的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。

記得梁先生在2020年辭職信裡提到，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上面，做出了奇蹟般的傳遞。

到現在，我們還沒開始討論EUV。

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

這個主題值得寫一本書。不過，我們想像一下，如果你是公司的老闆，你會怎麼做。你會去全世界找各領域最頂尖的製造商，幫你依照你的高標準研發零件，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制，每個零件的訂貨數量少得可憐，供應商願意麼？

所以，不要光得講情懷，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。日系的供應商大多也是日系，如果裙帶企業不願意做，尼康只能降低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，內部拖沓皮也會更容易發生。

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)和實驗室曝光奈米級線條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污染問題。

ASML倒是老早就押寶在錫身上。錫不是個很好的EUV方案，開始用雷射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，可用功率也只有10W。這是什麼意思呢？大概一小時只能生產幾片晶圓，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。

工程師用雷射轟擊液體錫滴，但錫滴是球型的，雷射接觸面自然是很小的。為了盡可能達到盡可能高的轉換效率，錫滴越小越好，而且最好雷射到一個凹進去的形狀。這種想法提給工程師以後，很難想像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里產生寶貴的EUV。聽起來是不是也不算難？問題是，液滴只有30微米大，每秒5萬滴以時速近300邁噴出來，然後兩槍雷射必須每次都要準確地第一槍打凹，第二槍打在凹坑裡：每秒10萬槍。這樣的高效率，終於讓EUV微影機的可用功率達到200多W，達到量產上百片晶圓目標。

在2004年ASML、Nikon和佳能共同製定的EUV光源目標中，功率只有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，但檯面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，那麼要多快呢？5個g的加速度，同時量測速度是一秒鐘2萬次，確保晶圓台飛一般地移動到正確的位置。那麼問題來了，得配備什麼樣的感測器才能精準到這種程度呢？

ASML官方說，這些感測器的精度是60皮米，也就是0.06奈米。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吋晶圓的大玩意，這麼快的移動速度，怎麼能不產生振動和熱呢？

ASML之前的TwinScan台是空氣懸浮的，這樣摩擦阻力可以很小。但隨著晶片做到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，擾流會影響量測干涉儀的精度，這樣就難以達到奈米級對準了。

怎麼辦呢？ASML咬牙把氣懸浮改成了磁浮，這不就沒空氣了麼，也避免了空氣被加熱的問題。但說來容易，磁浮會帶來超強磁場，副作用一定也得解決。

那麼，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。我想大家都看過EUV示意圖。

有小朋友問，既然EUV光線這麼寶貴，為什麼要反射這麼多次？每次要損失近一半的光子呢，按一次50%損失反射6次就只剩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面(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。

這裡有好多講究，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上的大砲相機和考慮空間的手機相機，差異是很大的。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，所以這些鏡子不是平面鏡，而是有焦點的縮小鏡。

只要是光學元件就會有缺陷，光路設計好就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專案時(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系統已經是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裡的ASML股票做了清倉式減持。

歷史是必須要回看的，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，雷射就像帶著火把在森林裡放火，每到一處產生的溫度變化都不可避免導致裝置變形變異，而在高階晶片上是錯開1.5nm上下層就對不上了。

我們說過有晶片圖案的母版光罩也是鏡子，這玩意大概30萬美元一個，高能量雷射會導致光罩是有壽命的。別的鏡子上有點瑕疵還好，大不了掉幾個光子，而光罩上的瑕疵則直接導致晶片失效。還有一個問題是，小的雜質顆粒會掉在上面。

原來設計師的想法是，EUV光路是全真空的，根本不用考慮雜質的事。但現實情況是，鬼知道哪裡來的肉眼根本看不到的小東西。晶圓廠通常只能在發現缺陷後，停機把光罩摘下來乾洗或濕洗，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。

這個想法倒是一點都不蠢，居然跟工程師想的一樣。但什麼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打在上面可以升溫超過600度呢。要知道玻璃都能吸收EUV我們才改用鏡子的，這個膜得夠薄還要有足夠的強度來確保平整。

沒有光線損失是不可能的，很多廠商參與了挑戰但大多最終放棄了。ASML自己做了無數試驗最後選了一個50nm厚的多晶矽膜，大概是女士面膜1/50000那麼厚，大概可以實現只損失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%的光線損失也讓晶圓廠肝疼，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。

這件事從一個側面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是怎麼判斷局勢的，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的晶片現在已經完全是行銷術語，但電晶體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，只能默默用良率不好控制的Low-NA多重曝光來實現。

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

十、

為了收集更多寶貴的EUV，對ASML最理想的情況是光罩的面積從6吋大幅度增大到12吋(光罩也是反射鏡)，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，甚至增大到7吋都不同意，畢竟他們要為光罩這麼個消耗品買單。

但High-NA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公尺多寬，比一般EUV長了一倍。更悲催的是，這樣的鏡子從普通EUV的40公斤一片陡增加到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面沒有變形呢？

具體我也不知道。但看宣傳稿，蔡司是用在巨大的真空室裡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，由於面積不准增大，圖案分辨率要求入射角也不能增大，就只能採用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面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，兩個光場要怎麼奈米級拼接呢？輔助的量測系統又要大改。

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。光阻是一層三維立體的東西，足夠的焦深才能讓足夠厚度的光阻吸收光能後變性。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面起伏)，這又涉及到產業鏈一系列變化。

高NA也要求被擠爆牙膏的雷射功率再一次提升，而且打擊錫滴的雷射從每秒5萬滴再增加20%以上。但是，這種超級功率巨獸散發出的各種能量，又是造成整台機器內部溫度變形的各種要解決的困擾。

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」又花了十年。悲催的是，Hyper-NA EUV將是同樣地每個極限再突破全重來一遍，這就是范登布林克「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運作，其中包括了1800台《光刻巨人》裡的傳奇舊機器PAS5500。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舊機器。

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？

這就是資訊時代的力量。人類資訊科技和儲存對晶片需求爆炸性的成長，給了光刻機不斷成長和發展的空間。

這麼看來，ASML顯然是時代發展的寵兒。

那麼，它的光刻機走上“絕路”，是好事還是壞事呢？