芯片產(chǎn)出速度提升50%！ASML取得關(guān)鍵突破，EUV光刻實(shí)現(xiàn)千瓦級躍遷

2 月 24 日，據(jù)路透社報道，全球半導(dǎo)體設(shè)備龍頭阿斯麥（ASML）在其圣地亞哥研發(fā)中心取得了一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破：他們已成功研發(fā)出能穩(wěn)定輸出 1,000 瓦（1kW）功率的極紫外（EUV）光源系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測，到 2030 年，這項(xiàng)技術(shù)將使單臺光刻機(jī)的芯片產(chǎn)出量提升 50%。

（來源：ASML）

ASML 負(fù)責(zé) EUV 光源技術(shù)的首席專家邁克爾·珀維斯（Michael Purvis）明確表示，這并非實(shí)驗(yàn)室里的短暫演示，而是一套能在客戶量產(chǎn)環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的成熟系統(tǒng)。

要理解這個系統(tǒng)帶來的突破，首先要厘清極紫外（EUV）光刻技術(shù)的核心運(yùn)作機(jī)制。在半導(dǎo)體制造的微觀世界里，光刻機(jī)扮演著“超級投影儀”的角色：它利用光線將極其復(fù)雜的電路圖案縮小并“印刷”到涂有光刻膠的硅晶圓表面。

然而，隨著芯片制程不斷逼近物理極限，傳統(tǒng)的深紫外光（DUV）已無法滿足精度要求，業(yè)界必須使用波長僅為 13.5 納米的極紫外光（EUV）。可這種波長的光在自然界中極難獲取，且極易被空氣和普通透鏡吸收，于是 ASML 構(gòu)建了一套系統(tǒng)來人為制造極紫外光光源。

在光刻機(jī)核心的真空腔體內(nèi)，高精度的液滴發(fā)生器會以極高的頻率噴射出直徑僅為幾十微米的熔融錫滴。這些微小的錫滴隨后成為高能二氧化碳激光器的靶標(biāo)。

當(dāng)高功率激光束精準(zhǔn)擊中高速飛行的錫滴時，錫滴瞬間被加熱至數(shù)萬攝氏度，直接氣化并電離，形成一團(tuán)高溫、高密度的等離子體云。就在這團(tuán)等離子體冷卻衰變的極短瞬間，錫離子會釋放出波長為 13.5 納米的極紫外光子。

隨后，一套由多層鉬/硅薄膜組成的精密反射鏡系統(tǒng)（因?yàn)槠胀ㄍ哥R會吸收 EUV 光，只能使用反射鏡）將這些光子收集并聚焦，最終投射到晶圓上完成曝光。

在這一鏈條中，光源功率直接決定了光刻機(jī)的“吞吐量”（Throughput），即每小時能處理多少片晶圓。現(xiàn)有的量產(chǎn)型 EUV 光刻機(jī)，其光源功率長期徘徊在 600 瓦左右。這已經(jīng)是工程的極限：要維持穩(wěn)定的 600 瓦輸出，機(jī)器每秒需噴射約 5 萬個錫滴，并用激光進(jìn)行數(shù)億次的精準(zhǔn)轟擊。

功率成為瓶頸，是因?yàn)?EUV 的產(chǎn)生效率極低。輸入激光的能量中，僅有約 2% 至 4% 能最終轉(zhuǎn)化為有用的 13.5 納米 EUV 光，其余能量大多轉(zhuǎn)化為廢熱或碎片。

若要提升功率，意味著必須在單位時間內(nèi)處理更多的錫滴，這不僅對激光器的重復(fù)頻率提出了苛刻要求，更使得真空腔體內(nèi)的熱管理、錫碎片的清理以及光學(xué)元件的保護(hù)變得異常困難。一旦功率提升導(dǎo)致碎片增多或鏡片污染加速，機(jī)器的停機(jī)維護(hù)時間就會增加，反而抵消了產(chǎn)能增益。

此次 ASML 實(shí)現(xiàn) 1,000 瓦功率的跨越，并非簡單的加大火力，而是通過兩項(xiàng)關(guān)鍵的底層創(chuàng)新，從根本上優(yōu)化了能量轉(zhuǎn)換效率：

首先是錫滴頻率的倍增。研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功將液滴發(fā)生器的噴射頻率提升了一倍，從每秒約 5 萬個錫滴增加到約 10 萬個。這意味著在相同時間內(nèi)，系統(tǒng)擁有了兩倍的“原材料”來產(chǎn)生光子。但這要求液滴發(fā)生器在極高頻率下仍能保持錫滴大小、位置和速度的極度均一，任何微小的偏差都會導(dǎo)致激光脫靶。

其次是激光脈沖策略的重構(gòu)。傳統(tǒng)模式下，激光器通常使用單個經(jīng)過整形的高能脈沖轟擊錫滴，試圖一次性將其激發(fā)至最佳等離子態(tài)。然而，這種方式往往難以兼顧錫滴的預(yù)熱、扁平化以及最終的等離子體激發(fā)，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。

新系統(tǒng)則采用了“雙脈沖串”策略：第一個較小的脈沖串先對錫滴進(jìn)行預(yù)處理，將其精確地整形和預(yù)熱至最佳狀態(tài)；緊接著，第二個脈沖串再進(jìn)行主轟擊。這種分步走的精細(xì)控制，顯著提升了激光能量向 EUV 光子的轉(zhuǎn)化率，使得在同等激光輸入下能產(chǎn)出更多的有效光子。

科羅拉多州立大學(xué)教授、激光物理學(xué)權(quán)威豪爾赫·J·羅卡（Jorge J. Rocca）對這一進(jìn)展給予了極高評價：“這不僅僅是一個單一技術(shù)的突破，而是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程。你需要同時掌握流體力學(xué)（控制錫滴）、高能激光物理（脈沖整形）、等離子體動力學(xué)以及極端環(huán)境下的精密控制，并將它們完美整合。能在工業(yè)級量產(chǎn)設(shè)備上穩(wěn)定實(shí)現(xiàn) 1,000 瓦的功率輸出，確實(shí)令人驚嘆。”

圖 | 豪爾赫·J·羅卡（來源：科羅拉多州立大學(xué)）

這一突破意味著，光刻機(jī)不再受限于光源強(qiáng)度導(dǎo)致的曝光時間過長，從而能夠以更快的速度掃描晶圓。對于芯片制造廠而言，這直接轉(zhuǎn)化為單臺設(shè)備產(chǎn)出的大幅增加，以及在同等產(chǎn)能需求下設(shè)備數(shù)量和廠房空間的大幅縮減，有望顯著改善先進(jìn)制程的單位成本結(jié)構(gòu)。

對晶圓廠而言，光源功率的提升直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)能的增加。ASML 負(fù)責(zé) NXE 產(chǎn)品線的執(zhí)行副總裁特恩·范·高（Teun van Gogh）表示，隨著光源功率增強(qiáng)，到本年代末，單臺機(jī)器的晶圓處理能力（WPH）有望從目前的每小時 220 片提升至 330 片左右。

在光刻過程中，光強(qiáng)越強(qiáng)，光刻膠所需的曝光時間就越短。在當(dāng)前人工智能和企業(yè)級計(jì)算需求激增的背景下，芯片制造商正面臨嚴(yán)峻的產(chǎn)能約束。如果能在不增加額外設(shè)備和潔凈室空間的前提下，通過光源升級將產(chǎn)能提升 50%，這將極大改善晶圓廠的經(jīng)濟(jì)效益。

ASML 透露，除了針對未來新機(jī)型，公司目前提供的“生產(chǎn)力增強(qiáng)包”（PEPs）也旨在幫助客戶升級現(xiàn)有設(shè)備。不過，業(yè)內(nèi)分析認(rèn)為，受限于熱管理極限，較老型號的 NXE:3400C/D 機(jī)型可能難以直接升級到千瓦級光源。這項(xiàng)新技術(shù)更可能應(yīng)用于現(xiàn)有的 NXE:3800E 配置，以及即將推出的高數(shù)值孔徑（High-NA）EXE:5000/5200 系列機(jī)型。

圖 | NXE:3800E（來源：ASML）

ASML 此時披露這一進(jìn)展，也與全球競爭環(huán)境有關(guān)。盡管 ASML 是目前市場上唯一的商業(yè)化 EUV 供應(yīng)商，但地緣政治和供應(yīng)鏈安全考量正在催生新的挑戰(zhàn)者。

在美國，Substrate 和 xLight 兩家初創(chuàng)公司已籌集數(shù)億美元，致力于開發(fā)本土替代方案。其中，xLight 更獲得了特朗普政府的資金支持，試圖利用粒子加速器產(chǎn)生更短波長的 X 射線進(jìn)行光刻。與此同時，中國在出口管制壓力下，也在加速推進(jìn)本土光刻機(jī)研發(fā)。

行業(yè)觀察家指出，ASML 將光源功率推高至千瓦級，實(shí)際上是在大幅提高 EUV 技術(shù)的準(zhǔn)入門檻。當(dāng)競爭對手還在為幾百瓦的穩(wěn)定輸出努力時，ASML 已通過提升功率密度和產(chǎn)出效率，進(jìn)一步降低了客戶的單片制造成本，從而進(jìn)一步提高技術(shù)壁壘。

當(dāng)然，從技術(shù)驗(yàn)證到大規(guī)模量產(chǎn)仍需克服諸多工程挑戰(zhàn)。1,000 瓦的 EUV 光源意味著真空腔體內(nèi)的熱負(fù)荷將急劇增加，這對機(jī)器的冷卻系統(tǒng)、氫氣流控制以及精密光學(xué)組件的穩(wěn)定性都提出了更高要求。此外，更高的功率也引發(fā)了關(guān)于電力供應(yīng)和能耗的討論。

盡管如此，ASML 對未來技術(shù)路徑保持樂觀。邁克爾·珀維斯透露，該公司認(rèn)為實(shí)現(xiàn) 1,000 瓦的技術(shù)路徑將為未來的持續(xù)演進(jìn)打開大門：“我們已經(jīng)看到了一條通往 1,500 瓦的清晰路徑，且從基礎(chǔ)物理層面來看，沒有理由不能達(dá)到 2,000 瓦。”

1.https://www.reuters.com/world/china/asml-unveils-euv-light-source-advance-that-could-yield-50-more-chips-by-2030-2026-02-23/

運(yùn)營/排版：何晨龍