光刻机，再起风云

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来源：内容编译自经济学人，谢谢。

很少有人会想到人工智能的未来会取决于荷兰的安静小镇埃因霍温。然而，就在小镇边界外，坐落着阿斯麦的总部。阿斯麦是唯一一家生产尖端人工智能芯片所需机器（光刻工具）的公司。

ASML 的最新产品是一台 150 吨重的巨型机器，大小相当于两个集装箱，售价约为 3.5 亿美元（5.533 亿澳元）。它也是目前在售的最先进的机器。

该公司的专业知识使其成为全球技术战的中心。为了阻止中国制造出先进的人工智能芯片，美国禁止 ASML 向中国芯片制造商出售其最先进的设备。作为回应，中国正投入数十亿美元开发本土替代品。

与此同时，日本竞争对手佳能正押注更简单、更便宜的技术来削弱 ASML 的控制力。然而，与软件不同，软件行业的领导地位可能在几个月内发生变化，而光刻技术的成功是一场以几十年为单位的缓慢竞赛。超越 ASML 并不容易。关键在于对机器的控制，它将塑造计算、人工智能和技术本身的未来。

ASML 最先进的机器令人难以置信。它的工作原理是将 50,000 滴熔化的锡液射入真空室。每滴锡液都要接受双重打击：首先是弱激光脉冲将其压扁成小饼状，然后是强激光将其蒸发。这个过程将每滴锡液变成热等离子体，温度达到近 220,000 摄氏度，大约是太阳表面温度的 40 倍，并发出极短波长（极紫外或 EUV）的光。

然后，光线被一系列镜子反射，这些镜子非常光滑，以至于瑕疵只有万亿分之一米。镜子将光线聚焦到包含芯片电路蓝图的掩模或模板上。最后，光线从掩模反射到涂有感光化学物质的硅片上，将设计印在芯片上。

ASML 的工具对于现代芯片制造来说不可或缺。台积电、三星和英特尔等公司依靠它们生产尖端处理器，从人工智能加速器到智能手机芯片。没有其他公司能够制造出能够可靠打印“7 纳米”（十亿分之一米）及以下芯片的机器（尽管这些术语曾经与物理分辨率有关，但现在主要用于营销）。即使对于更成熟的技术（“14 纳米”及更高），该公司的工具也占据了 90% 以上的市场份额。

微芯片是一种电子千层面：晶体管的基座上覆盖着传输数据和电源的多层铜线。一个尖端处理器可以封装超过 1000 亿个晶体管，包含超过 70 层，布线长度超过 100 公里，所有这些都位于一块约为标准邮票 1.5 倍大小的硅片上。为了构建这些微小的特征，光刻机分阶段工作，在晶圆上逐层蚀刻晶体管和金属线的图案。单个晶圆可以包含数百个芯片。

ASML 的工具很复杂，但其基本原理与老式幻灯片投影仪非常相似：光线穿过模板将图像投射到表面上。光学光刻工具可以打印的最小特征主要取决于两个因素。首先是光的波长。就像更细的画笔可以画出更细致的笔触一样，更短的波长可以实现更小的图案。ASML 的旧系统使用深紫外 (DUV) 光，波长在 248nm 至 193nm 之间，可产生最小至 38nm 的特征。

为了进一步缩小芯片尺寸，ASML 转向使用波长为 13.5nm 的 EUV 光。虽然 EUV 是由太阳日冕在太空中自然发射的，但在地球上产生它要困难得多。EUV 光也被空气、玻璃和大多数材料完全吸收，因此该过程必须在真空中封闭，使用特殊的镜子来反射和引导光线。ASML 花了二十年时间完善了向熔融锡滴发射激光以创建和产生这种难以捉摸的光束的方法。

另一个设定最小特征尺寸的刻度盘是镜子的数值孔径 (NA)，这是衡量镜子能够收集和聚焦多少光的指标。ASML 的最新系统称为High NA EUV，使用孔径为 0.55 的镜子，使其能够在小至 8 纳米的芯片上打印特征。为了进一步缩小尺寸，该公司正在研究所谓的超 NA，即将孔径提高到 0.75 以上，同时仍使用现有的 EUV 光。更高的 NA 意味着镜子可以收集和聚焦来自更广泛角度的光线，从而提高精度。但这是有代价的。更大的 NA 需要更大的镜子来拦截和引导扩大的光路。当 ASML 将其机器的 NA 从 0.33 增加到 0.55 时，镜子的尺寸增加了一倍，重量增加了 10 倍，现在重达数百公斤。再次增加 NA 只会增加体积，引发对功耗的担忧。

另一个障碍是定价。ASML 没有透露确切数字，但其最新的 EUV 机器的价格几乎是其前代产品的两倍。Hyper NA 系统的价格会更高。尽管该公司警告说，无法保证它能够生产，但 ASML 的技术主管 Jos Benschop 相信，超 NA 机器可能会在未来 5 到 10 年内问世，具体取决于需求。

一些研究人员已经计划超越 EUV 光，将波长瞄准 6nm 左右。这将需要在光源、光学和光刻胶（晶圆上的感光涂层）方面取得突破。更短的波长也带来了新的挑战，包括“散粒噪声”，即模糊图案的随机粒子运动。但瑞士研究中心保罗谢尔研究所的 Yasin Ekinci 认为，如果Hyper NA 无法实现，这将是“B 计划”。

在 ASML 不断突破光学光刻技术的极限的同时，中国——由于无法获得最先进的芯片制造工具——正试图从仍可进口的旧 ASML 机器（可达到 28 纳米及以上）中获取更多技术。一种方法是多重图案化，即将图案分解为多个蚀刻阶段，使机器能够打印出两倍或四倍小的细节。多重图案化是有效的，但会增加复杂性并减慢生产速度。

有报道指出，中国也在攻克这个天王山，但开发 EUV 系统则是一个完全不同的挑战。研究公司 SemiAnalysis 的 Jeff Koch 指出，除了掌握 EUV 光本身之外，还需要复制 ASML 庞大的供应链，该供应链延伸到 5000 多家专业供应商。

因此，ASML 在高端光刻领域的主导地位似乎不可动摇。但曾经的行业领导者佳能正在押注另一种选择。纳米压印光刻 (NIL) 可以将电路图案直接印在晶圆上，就像印刷机一样。理论上，NIL 可以创建具有纳米精度的特征，为 ASML 的 EUV 机器提供低成本、紧凑的竞争对手。

NIL 工艺首先要制作一个主掩模，用电子束将电路模板蚀刻在上面。接下来，将液态树脂滴在晶圆上，然后用掩模将电路图案压在晶圆上。然后使用紫外线固化树脂并形成电路图案，之后移除掩模。芯片的每一层都要重复这一步骤。佳能估计，其方法的成本比 ASML 的同类机器低 40% 左右。

NIL 要成为主流芯片制造技术，必须克服多项挑战。缺陷是一大问题——模具上的微小颗粒或瑕疵会在整个晶圆上造成重复性缺陷。对准是另一个障碍。由于芯片是分层构建的，因此每层的电路图案必须精确对齐。晶圆平整度的任何变化或模具与晶圆之间的轻微错位都可能导致纳米级误差，从而破坏电气连接。佳能声称其系统可达到纳米级精度，但在生产过程中始终保持这一精度非常困难。然后是吞吐量，即一台机器每小时可以处理多少晶圆。ASML 的高 NA EUV 工具每小时可处理超过 180 片晶圆，一些旧型号的产量几乎是这个数字的两倍。相比之下，佳能最新的 NIL 系统每小时只能处理 110 片晶圆，因此不太适合大批量芯片生产——至少目前如此。

到目前为止，NIL 在半导体制造之外取得了更大的成功，特别是在制造智能手机显示屏和其他高精度部件方面。该技术现在正在进入内存芯片生产领域，与逻辑芯片相比，内存芯片对较高的缺陷率更为容忍。佳能光学部门负责人 Iwamoto Kazunori 认为，NIL 可以与 EUV 光刻技术共存，尽可能以低成本执行制造步骤，并避开更精细的细节。

此类创新可以帮助企业设计速度更快、更节能的芯片，为新一代人工智能模型提供动力。如果 ASML 不小心，世界上最重要的机器可能无法永远保持其头衔。

https://www.smh.com.au/technology/the-race-is-on-to-build-the-world-s-most-important-machine-20250317-p5lk1d.html

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