ASML推进High-NA EUV破局芯片物理极限

ASML推进High-NA EUV破局芯片物理极限 芯片命名虽存在市场营销虚标，但得益于计算光刻、曲线逆向光刻及GAA结构等技术创新，半导体制程在2040年前仍不会触及物理极限。 视频全面梳理了光刻机与芯片制程的技术演进脉络，详细讲解了 EUV 光源生成、High-NA 变形镜头以及计算光刻与逆向光刻（ILT）等关键技术的突破。同时，节目揭示了所谓的“3nm/2nm”实际上是代工厂的营销命名而非物理线宽，并对比了佳能纳米压印（NIL）等替代路线的优缺点。最终指出，在算法、GPU 算力以及芯片架构演进的共同推动下，半导体行业短期内不会触碰物理极限。 光刻机通过波长、数值孔径（NA）与工艺因子 K1 决定微缩极限，EUV 光源需每秒喷出 5 万颗液态锡滴并经 10 万次激光轰击产生，核心喷嘴部件全球仅两人能手工组装。 (0:00) EUV 光源功率在 2017 年突破 250W 开启商业化后正向 1000W 攻坚，因更换波长代价极高，现有 EUV 预计将沿用至 2035 年甚至 2040 年。 (5:00) High-NA EUV 采用反射镜与变形镜头将 CD 降至 8nm，英特尔豪赌抢先部署 18A 制程，而台积电因高达 3.5 亿欧元成本初期持观望态度后才跟进。 (15:00) 计算光刻由正向 OPC 演进至基于像素计算的逆向光刻（ILT），曲线 ILT 结合 GPU 与 AI 算力可跨越三个技术世代，成为推动摩尔定律进化的新燃料。 (25:00) “3nm/5nm”等芯片命名属于商业营销，当前物理实体尺寸从未低于 20nm，转向 GAAFET 等立体结构意味着至少 2040 年前行业不会触及物理极限。 (30:00)

针对半导体是否逼近物理极限与摩尔定律终结的争议，光刻技术正依托极紫外光源功率提升、高数值孔径光学系统及像素级计算光刻实现多维突破。结合立体晶体管架构的发展，当前商用“纳米”制程多属于代号营销，实际物理尺寸距物理极限尚有距离，行业在2040年前仍具备微缩与优化空间。 锐利判局下的光源瓶颈与功率演进 芯片制程微缩的核心遵循锐利判局公式（$CD = K_1 \cdot \lambda / NA$）。由于更动波长需重新开发匹配的显影与光刻胶体系，现有极紫外（EUV）波长预计将沿用至2035甚至2040年，行业主要聚焦于功率提升与工艺优化。ASML的激光等离子体（LPP）方案依靠每秒5万颗高频微米级锡滴与10万次激光打靶维持稳定光源；初代EUV因光源功率低于10瓦导致曝光过慢，直至2017年达250瓦才启动商业化量产，2023年已提升至600瓦并攻关1000瓦。 除ASML的LPP路径外，全球其他机构亦在探索替代方案。例如中科院上海光机所于2024年尝试用固体激光器与固体锡缩小结构并提速输出功率；市场消息亦指出华为东莞工厂在测试基于LDP的EUV光刻系统，初期光源功率约80瓦，规划于2025年第三季度展开试生产。 High-NA光学突破与代工厂商业博弈 在波长保持不变的情况下，提升数值孔径（$NA$）成为突破分辨率的关键。EUV光线极易被介质吸收，蔡司生产的布拉格反射镜表面起伏误差被控制在原子级。由于超大数值孔径会导致景深骤减和单次曝光面积减小，第二代High-NA EUV引入了水平与垂直放大倍率不同的变形镜头，将临界尺寸由13纳米降至8纳米，支持2纳米制程。 设备单价从Low-NA的2亿欧元跳涨至3.5亿欧元，引发代工巨头分歧：英特尔激进豪赌，于2023年底接收首台设备并现场组装调试，用于其18A（1.8纳米）风险试产；台积电早期权衡经济效益，倾向用多重曝光搭配低数值孔径设备，直至2024年下半年才跟进采购。面向未来，ASML虽提出0.75 $NA$的Hyper-NA构想（预估2030年问世、造价超6亿美元），但因微缩边际收益收窄与光刻胶挑战，专家预期High-NA将主导市场至少十年。 计算光刻进阶：AI与像素级逆向光刻 在硬件物理极限之外，降低工艺因子（$K_1$）的核心手段为计算光刻。光线在极微尺度下的衍射与干涉会导致图案模糊畸变，传统光学临近效应修正（OPC）依靠人工规则在多边形上正向加减辅助图形，但随着电路线宽收缩已遇瓶颈，产业遂转向逆向光刻技术（ILT）。 逆向光刻通过预设晶圆最终成像、逆向算法推导掩模版像素图案。由庞博士引入的“曲线逆向光刻（Curved ILT）”打破了传统的横平竖直布线规则，使布线更为紧凑。iMEC指出曲线化图案可跨越三个技术世代，其战略价值不亚于硬件跨越。由于ILT完全基于像素计算，以NVIDIA为代表的GPU与AI算力成为核心驱动引擎，形成了高性能芯片反哺光刻制造设计的正向循环。 制程命名商业化与立体物理架构演进 市场上宣称的“3纳米”或“2纳米”芯片已脱离实际几何尺寸。在28纳米之前，命名直接对应平面栅极长度；在进入FinFET与随后的GAAFET立体架构后，晶体管由鳍片间距与栅极间距等多维参数决定，物理尺寸并未达到数纳米量级。当前即便是宣称的2纳米制程，实际线宽与节距仍在20至30纳米左右。 代工厂在竞争中逐步转向营销驱动的乘数命名规则，迫使英特尔将原10纳米更名为“Intel 7”。随着芯片结构向三维立体堆叠（GAAFET）演进，单位面积容纳电子的能力持续增长。ASML官方评估，由于物理实体尺寸距离原子级极限仍有相当冗余，行业在2040年之前无需担忧触及绝对物理天花板。 纳米压印替代探索与产业链地缘制约 在昂贵投影光刻之外，佳能主导的纳米压印（NIL）采用机械压模固化方式，于2023年推出号称可达14纳米最小线宽的设备。然而NIL面临三大瓶颈：1:1物理模板制作难度高且易磨损、每小时约100片的产能低于ASML的185片、且脱模易导致线路断裂及层间对准良率受损。目前该技术在逻辑芯片领域难以替代EUV，仅在结构重复的NAND闪存及先进封装领域展现出可行性。 光刻设备演进同时受制于极度严苛的制造模式与地缘政治壁垒。ASML的光刻机包含5000多家供应商，依赖极高精度的专家调校，且历史技术深度绑定美国（包括早期参与美国EUV LLC联盟及收购Cymer与SVG公司）。尽管其内部存在激进技术研发与偶发管理疏漏的文化反差，但该精密供应链与地缘监管政策的交织，构成了当前半导体制造最现实的外部约束。 半导体微缩并未在1纳米处遭遇停摆，而是由单一平面线宽竞争转化为涵盖变形光学、像素级逆向光刻、立体晶体管架构与先进封装的系统工程。比起纯粹的物理极限，设备研发制造成本的指数级攀升、良率容错率控制以及地缘供应链的不确定性，构成了当前芯片制造更现实的瓶颈。

[0:00] 与 Joanne 握手请务必小心 [0:00] 摩尔定律已死 [0:00] 人类是否会被锁死在 1 纳米 [25:00] 更强芯片计算出更高光刻精度，进而生产出更强芯片

[0:00] 这是世界上最赚钱的机器它的核心部件全球仅有两个人能够手工维护更离奇的是只需要几个就能让这台价值数亿美元的机器减缠几小时这台掌握着数字文明命脉的机器就是光刻机而制造它的绝对王者就是ASMLHello大家好欢迎来到矽谷101我是陈健在我们的AI选题当中聊芯片聊数据中心等等做了很多期了那今天呢我们就再沿着产业链往上走到光刻机今年来不断有人提出疑问芯片制造触碰到了物理极限了吗为什么技术进步如此缓慢呢而人类会被锁死在1纳米吗那么这期视频我们就从技术角度详细聊聊光刻机的现状与未来ASML新一代HiNA EUV光刻机造假飙升英特尔抢先入手台机电又为何犹豫不决早就拿到了HiNA EUV的英特尔为何依然没有量产2纳米以下的芯片而不怎么知名的日本厂商Rapidus又为何开始了2纳米的试产有意思的是大家可能都被芯片厂商给骗了你手机里面的3纳米芯片其实远大于3纳米那这背后藏有什么样的引擎呢在我们的采访中嘉宾表示现在的光刻机硬件可能会持续使用10-25年而真正的突破就在于如今大火的GPU与AI光刻机将如何突破物理与成本的双重围剿AI如何成为它进化的新燃料而善于制造精密机器的ASML又为何多次因低级疏忽而导致股价大跌呢为了便于理解后面的内容我们先简单给大家介绍一下光刻机的基本原理如果你已经非常了解这些技术了那可以直接跳到第二章在这个时间线拆开一台DUV光刻机就会发现其实光刻的原理非常简单首先是光源模组负责发射波长很短的光穿过应有芯片电路图的眼魔板光铜以及一组硕大的透镜组将眼魔板上的图像等笔缩小打到图有光刻胶的晶圆上这就完成了一次光刻这个过程就像我们小时候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相同图像在光刻机中啊光路则是反过来成倍缩小的当然芯片制造的流程远不止光刻这一步光刻胶被照射时候会硬化后续还要经过显影刻实光刻胶去除离子注入薄膜沉积等步骤才能成为芯片那么芯片呢是由晶体管构成的同样面积下面晶体管越多芯片性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等于K1乘以Lambda除以NA这就是锐利判局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Lambda要么提高NA我知道以上公式就有小伙伴看不下去了别担心我们接下来会用非常基础和有意思的解释来带大家看懂光刻机的最新进展那我们先从光的波长Lambda开始说起那大家经常听到的EUVEUV光科技呢是按照使用光源的波长来分类的上一代光科技采用的是深子外光DUV那如今最尖端的使用了极子外光EUV那么接下来我们就来看看EUV是如何产生的注意看啊这条细细的线其实并不是一根线而是以每秒五万克速度喷出的Cd每颗Cd大小为三十微米只有头发丝了一半喷出的这些Cd的喷嘴经常会被堵塞而要更换喷嘴需要将两根几乎看不见的线精细的缠绕在喷嘴处这个过程无法使用任何机器全球只有两个人可以手工完成其中一个人名为Joanne所以呢有这么一句话说与Joanne握手的时候请务必小心而这个喷出CD的装置啊就是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了如何稳定且高功率获得波长更短的光就是光刻机进步的挑战之一我们先来看看ASML是如何产生极子外光的它们首先将高纯度的液态锡利用弱性气体施压喷出成CD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CD打成柄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子外光再通过收集镜捕破 [5:00] 到研磨板和镜片组但每次操作只能产生0.0几秒的光所以才有了我们前面提到的每秒需要喷出5万颗CD同时激光要完成10万次打靶才能够产生稳定的EUV光源这被称为激光等离子体光源简称LPP Laser Produced Plasma虽然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原因就在于光源部分的功率不足只有不到10瓦这就会导致每颗芯片需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250瓦才得以推动EUV光客技的商业化到2023年的时候ASML的光源功率是提升到了600瓦如今正在攻克1000瓦的目标而这也意味着目前的EUV光源还会使用很多年短期内要降低芯片的制程不会从光源入手光源的话大家一般是不喜欢变光源的波长因为光源波长的话它其实不只是说只跟光刻机有关因为它其实是最要呢还跟它后面的就是你要把这个光相当于曝光了你曝光了之后的话相当于你要去做这个显影然后才能把这个pattern做出来所以针对这个不同光的波长的resist其实它是完全不一样光源是最后一个换的就是实在没有办法那就再换下一个光源但是一个光源一个波长的话会持续很多很多的至少会到2035年到2040年去了除了ASML市场中的其他玩家也在想办法攻克极子外光的生产比如今年3月中科院上海光机所就公布了一项研究称可以在ASML采用的LPP方案中利用固体激光器替换原有的二氧化碳激光器同时将液态的CD替换为固体锡由此可以缩小光源结构并且增大输出功率除了LPP之外还有所谓的DPP、LDP、SRS、FEL等方案具体细节我们就不深入了有消息说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80瓦计划于2025年第三季度进行试生产我们来总结一下EUV光源的演进非常具有挑战预计还会持续多年的情况下目前提升光刻机精度的手段就要落在竖直孔径NA上了接下来我们来聊聊ASML新一代的HiNA EUV它已经出货两年了为什么还没有用于量产2纳米以下的芯片呢提升NA会遇到哪些挑战以及更加下一代的HyperNA何时会到来呢那如果你在菜寺的无尘室里面听到这句话可千万别当成是一句玩笑因为在进入之前不仅要穿上无尘服而且内衣也必须要换成是无纤维的这些严格的清洁措施是为了确保高数值孔径透进生产时的无尘环境因为精度要求太高了容不得一点灰尘就是说把一个30厘米的这样一个尺寸如果你想象它放大到是一个德国这么大它的表面的不平整度就只有一个足球这么大这就是从一个宏观的角度来如何理解它的不平整性为什么HighNA透镜的精度要求如此高呢在解析HighNA之前我们首先来解释一下竖直孔径NA与HighNA是什么还记得前面展示的DUV光刻机的结构吗光线要通过一组硕大的透镜组才会达到晶联上NA表示这些透镜收集光线的能力假设这里有一块凸透镜当已输光进入凸透镜的时候光路会改变所以凸透镜能够聚焦光线提高亮度或者光的能量但如果光的摄入角度过大凸透镜将无法完成这个角度光线的折射所以要提升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加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够完成光线的聚焦为什么光刻机中需要那么多透镜呢简单来说因为球面镜存在向场弯曲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向散积变会差等问题所以需要加入各种透镜来补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原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是献给了这些复杂的镜头设计了 [10:00] 但是到了EUV光刻机上结构就不太一样了大家可以对比一下左边是DUV而右边是EUV主要原因就在于EUV的光线会被其他介质吸收这时无论是透镜还是水都用不上了那该怎么去做呢他们的透镜也用的不是一个传统的透镜而用的是反射镜反射镜也不像是传统的大家熟悉的镜子去做金的一个镀膜而是用一种叫做布拉格反射的技术Blog反射这个东西大家听起来也很清楚,但大家可能在高中也学过,它的原理其实就像一个眼射光杉,眼射光杉的原理其实跟蝴蝶的翅膀非常像了,它只有很多小小的微小的结构在上面,然后当光打上去的时候,如果光波长对的话,它就会从特定的角度反射出来,它的那个表面的光滑度要到一个纳米以下,就是一个原子尺寸的一个精度。所以到了EUV光刻机上,要增加NA值,就得把这样一块光滑的像三体中的水滴的反射镜做得更大那你说这个东西能不能再做得更大呢实际上做到差不多两米就差不多到一个极限了它的平整路线已经到一个原则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人士看来相比其他部件制造更高NA的透镜都不算难事那海NAEUV遇到的真正挑战是什么为什么英特尔抢先订购了两台而台积电却犹豫了很久呢2014年ASML参加了硅谷的一个技术展示会展出了初代的EUV光刻机实验品不幸的是由于光源功率不足展示过程非常失败这样的结果一度让台积电对EUV光刻机的信心降至冰点多时美国分析师也嘲讽到说摩尔定律已死然而就在同一时间第二代EUV光刻机也就是HighNA的研发工作却已经开始了你可能又会疑惑了为什么第一代EUV还没有准备好的时候HighNA就开始研发了呢当他们设计EUV的时候大家很显然的说是会排列一下说哪些是技术难点最开始肯定的是光学非常困难因为这个光的波长也换了极紫外光非常不好控制所以光学系统一定是最难的然后可能是这个眼膜比较难做然后可能是这个材料比较难做然后最后就是这个光源但事实上蔡斯很早就把这个第一个事情来解决了他们以为是很难的东西并不是最难的东西最后发现光源没有一个很好的方案那第一代EUV还在解决光源问题的时候蔡斯早早就解决了透镜的难题主要去研发第二代HIGH NA了那为什么ASML不一开始就用更大的NA呢举例来说呢光刻机一个基本的概念是它把它的这个眼膜然后进行一个缩小倍数他们之所以没有选择一个更大的参数去做呢并不是说光学系统本身做不到而是如果当它的那个倍数过大的时候它缩小的过于小会引起其他一些系统参数的下降如果它的放大倍数过大的时候或者说它的这个NA相差过大的时候呢它的景深变成的过小那么当它芯片的上下有点点波动放置的位置有一点波动或者光刻效的厚度比较厚的时候它会造成高一点和低一点的地方得到的效果不一样这就会造成系统其他级别的误差然后同时呢这个NA和它的放大倍数有关如果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整个Wafer的时候它需要的时间就非常多然后导致客户需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呢还有一些就是其他的效果比如说是它的那个角度过大的时候NA过大的时候光学的拼证效应会显现出来这也需要在最后期的correction但是当有太多的东西需要补偿的时候大家就会说那可能还是以前不是那么大的NA比较好那还有一个原因啊就是HighNA需要预计至少500瓦的光源所以呢ASML一直在等待光源功率的提升来简单总结一下提升NA之后呢会导致缩放的倍数更大也就是达到晶圆上的图案呢更小这就会降低光刻速度同时呢也会引起其他参数的改变反而呢需要花更多的精力去修正回来那么HighNA EUV是如何提升的NA呢这就要说到变形镜头Anamorphic Objects变形镜头是水平与垂直方向具有不同放大率的透镜组合比如在水平方向上压缩8倍提高有效分辨率在垂直方向只压缩4倍来补偿景深损失降低光刻胶部平整度带来的误差这就相当于把一个正方形图案压缩成了长方形所以它被称为变形镜头就是在电影行业里面其实现在是非常广的在使用anamorphic gen optics的原理ASML官方宣称High NA相比第一代的Low NA EUV将光刻机的CD从13纳米降低到了8纳米打印的晶体管大小可以缩小1.7倍让芯片制程推进到2纳米的节点我们也在之前英特尔的那期视频中提到 [15:00] 早在2023年12月ASML就向英特尔交付了全球第一台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是非常的积极但是全球第一的芯片代工厂台积电却犹豫了其中最大的原因呢还是在于钱由于High NA EUV光刻机的设计更复杂价格也自然水涨成高第一代Low NA EUV的价格是在2亿欧元但是到了HiNA上价格是来到了3.5亿欧元也就是涨价了75%所以就是它的这个这个一下子比以前贵了很多对吧这是这是一个然后另外一个呢就是它的这个效率呢反而是变低了虽然它就是说它的移动速度是变快了但也没有变快两倍了所以这最后就变成哇你还要去考虑说这两个Mask怎么把它最后的这个芯片能够接的时候还接的不错对吧而且还要这两个Mask还要相互换所以这是一个比较大的一个问题英特尔说那我们要把这个Mask做成一个不是原来那个方的了我们要把它做成一个那个好大的一个对吧就是让它可以一次印出来但是这个的话也是就是至少目个整个Innestate还没有形成一个共识所以还不知道是什么时候的事情那这样的话台积就觉得说这个东西不是花费太多然后它的收益没那么好那它如果不用HNA的话那它就去做一个EUA的Double Patching或是Triple Patching那你这个分辨率的提高实际上更大所以就是各自有各自的考量由于High NA EUV采用变形镜头之后反而时光刻的效率下降了再加上目前行业对于如何使用High NA还没有达成共识而且第一代的Low NA EUV也能够通过多重曝光来生产2纳米的芯片因此台积电对于是否订购High NA也是非常犹豫不过犹豫归犹豫High NA EUV依然是下一代光客不可或缺的设备所以我们也看到台积电在2024年下半年依然是决定下单了到这儿就有个问题了既然英特尔早在一年半前就拿到了High NA EUV为什么如今还没能够证实地量产2纳米以下的芯片呢英特尔它这次的话确实比较激进所以它也是在实际上这个机器还没有完全ready的时候它就把这个机器拿进来了因为这个High-A的机器它现在已经不是说在ASML的工厂里面装好了然后再拆了然后再过来了它现在是说每一个它的component的话实际上都是直接从它原来的供应商那儿就直接到了Intel然后在这儿第一次把它组装所以从它的调试的进度来看的话它其实还是挺快的今年的5月中旬英特尔宣布它的18A制程也就是1.8纳米进入了风险市场阶段我们也会继续关注后续的进展虽然HiNA还没能正式用于芯片量产但是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HyperNA EUV预计将于2030年面式就像我们前面说到的一样提升了NA值之后会导致光刻机的焦点过小这也对系统的其他部件是提出了更高的挑战比如说与ASML合作开发光刻机的iMac先进图案化项目总监Kart Rons就表示在High NA的时候就已经将晶圆上的光刻胶涂抹得更薄了到Hyper NA的时候如何涂抹光刻胶也将会成为更大的挑战在五硅谷101的采访嘉宾看来HyperNA距离实际应用还太遥远接下来十年之内光刻机的重点依然是HighNA每一代的NA因为它是和其他参数平衡的结果所以每一代的NA都是至少是持续十年的我们认为可以认为现在这样一个0.55的NA应该是接下来几年的主要一个统治的方向不过对于HyperNA真正的挑战并不是技术难题而是商业上的难题根据预测HyperNA EUV的造价可能会达到6亿多美元但相比起HighNA能将CD降到8纳米HyperNA仅能够降低到6纳米台积电连3.8亿美元的HighNA都嫌贵那么HyperNA是否还会有市场或者说是否有必要呢我觉得还会有市场这个问题实际上在几年前的时候这个半导体还是就是大家还是那个挺疑虑的对吧因为那个时候 [20:00] 讲说这个平板电脑或者是笔记本电脑这已经跑得足够快了没必要再往下做了但是呢就是这个AI就出来了当你有了这个大模型之后GPU的算力什么之类是远远不够的那现在呢他能够把它卖这个三万美金四万美金而且还是供不应求这就说明就是他能够产生的这个价值的话是远远大于他的成本所以我觉得现在在这个大模型出来之后的话半导体确实就是就有从我们以前的很多年都觉得是个西洋产业后面再变成了一个非常招扬的产业还有很多很多事情要做我们再来简单总结一下目前最尖端的High NA EUV预计今年下半年用于芯片量产并且将主导光刻机行业十年左右虽然下一代Hyper NA的成本暴涨但是随着AI的发展芯片行业似乎又回到了招扬产业而AI不仅带动了芯片的需求甚至还推动了光刻机的进步接下来我们就来聊聊瑞丽判剧中的工艺因子K1看看光刻机对精密要求有多高AI以及芯片的进步如何去反补光刻机过去在英特尔亚利桑那州的一个工厂内每到夜深人静的时候光刻机的产量总会莫名其妙的下降几个小时这段时间内工厂几乎无人操作唯一的改变就是工厂外会刮起一阵风听上去是不是特别的玄学咱们研究人员经过长时间的排查最后发现原因竟然是屁大点事原来这个工厂附近有一家奶牛厂每到凌晨一点的时候风向会发生改变将奶牛们放的屁吹到工厂里由于屁中含有甲烷会通过空气净化器进入无存室最后导致了芯片生产式良率下降那任黑链因为它很难以为它是很难以为它是很难以为它是很难以为它是很难以为它是很难以为它是很难以为任何一点参数的改变都会影响光刻机的生产所以近年来ASML也开始利用AI来提升光刻机的生产精度对芯片制程影响最大的外部因素就是工艺因子K1代表的是眼膜光源光组等各环节的成像性能和工艺复杂度K1越小表示工艺提升的越多CD越小而目前KE最大的提升点就在于光铜与眼魔板由此诞生了计算光刻Computational lithography那么在解释什么是计算光刻之前我们先来了解一下为什么会需要计算光刻在光刻机中光线会将眼魔板上的电路图给打到晶圆上但如果直接将最终的电路刻在眼魔板上成像的画面可能会模糊不清这个原因其实大家在高中物理课上就学过如果让光穿过一个非常狭窄的缝它就会触发波的特性向四周散开进入原本照不到的地方这就叫做眼射而如果有两条缝相邻缝隙之间通过的光会叠加产生干涉现象最终显现出来的是多个或明或暗的条纹那这就是大名鼎鼎的光的双缝干涉实验所以为了能够提升光刻精度才有我们前面说的尽量减小光的波长降低眼射效应但当光的波长固定的时候大家该怎么做呢这就得利用计算光刻了那计算光刻主要从四个方面下手光铜形状光源眼模板以及拨前优化工具我们先来看一下光铜光铜上会有不同的图案将光线调整成一定的形状从而减轻某种方向上的干扰比如说我们要打出的全是竖条的形状就采用这样的图形的光铜降低横向光照的干扰眼眸板电路千变万化但是光铜的形状比较固定所以ASML对光源模块做出了一些优化设置了非常多微小反射镜组成的阵列名为Flex Ray用来控制局部光照从而提高成像的分辨率同时由于光的演射与干涉会让最终成像变得扭曲此时可以在演模版图案上的边角处增加一些额外的小孔增强局部的金光量就能修正最终成像了这个过程被称为光学临近效应修正Optical Proximity [25:00] 简称OPC弹光本身也带有能量弹光通过透镜时会加热镜片镜片由于热胀冷缩成像产生畸变此时就需要拨前优化工具来计算并且加热透镜组中共恶镜的对应位置修正图像值得一提的是计算光刻并不仅仅是修正光学误差还有其他的物理化学因素造成的不完美随着芯片的电路图越来越复杂OPC也经过一轮进化来到了逆向光刻技术简称ILT这也是目前提升K1的最重要的方式那我们的采访嘉宾庞博士正是因为对ILT的贡献在2023年时当选了SPIE的Fellow这是光学界最高荣誉之一了所以呢我们接下来请庞博士介绍一下为什么会需要ILT我在这个Mars上的这个pattern可能跟你要印的东西是长得完全不一样的对吧比如说我要印这么一个洞的话那我能够反算出来的这个的话它其实不是一个洞它是可能中间有一个洞然后有旁边有很多的环对吧那这个的话你OPC就做不出来了因为你OPC你不知道它会长着那个形状对吧所以IoT的话它是全局的这么样的一个优化把它算出来的OPC是正向调整眼魔图案比如添加辅助图形修正边角这种方法更依赖人工规则适用于相对简单的图形计算量较低而ILT则是利用AI算法逆向求解出最优眼魔图案那打个不那么恰当的比喻OPC就像一家公司啥都想自己做想要达成什么样的效果他可能还得衡量一下自己有没有足够的实力去做出方案而ILT就像去找外包公司你作为甲方只要告诉乙方我就要这个结果崩管你有什么方式你做出来就行随着ILT的出现芯片的设计与光刻也是迎来了一轮改进比如说庞博士最为人熟知的贡献就是将曲线逆向光刻技术引入了光刻和光眼膜领域之前芯片里的布线必须要横平竖直否则无法制造对应的眼膜板但有了ILT就可以做出曲线的研磨这样一来芯片布线就可以变得更灵活更紧凑整体管的堆叠也能更小更密由此带来的芯片提升甚至比NA的提升还要大从iMac最近他们讲的就是我们的芯片上的Pattern如果变成CURL的话它可以EABLE三个Generation所以这个比那个就是从EUA的XIA到Hyper-LA对吧对这个industry的它的贡献还要大而如何提升ILT呢回到我们刚才的比喻如果你想提升外包公司干活的效率简单多给钱就行而在ILT中干活的就是AI算法那提升算力就能够变得更强了那当然它算的这些方法的话也跟那个不一样就是OPC它基本上是在这个Polygon上面去做的然后ILT的话它全部是在这个Pixel上所以它像我们做的后来的话也都是用GPU来做这个加速因为GPU它是最适合做这个Pixel的计算所以他们是在这种计算的所以他们是在这种计算的CPU来GPU然后他们在这种计算的最好的GPU这种计算是NVIDIA的所以Metrology是非常一部分的当然除了计算光刻之外其他流程也会提升光刻机的制造精度比如说芯片制造完成之后会使用ASML的电子数测量工具检查缺陷并将检测数据计算之后反馈至光刻机台修正后续的生产数据那更强的芯片能够提升光刻精度而更高的光刻精度呢又能够生产更强的芯片就有点左脚踩右脚上天的意思了那我们硅谷101的紫期呢也采访了AASML前机械工程设计师Evan涛接下来我们让子庆加入我们聊聊这个核心的问题光刻技术还能够走多远呢哈喽大家好我是子庆要回答这个问题了我们要先说到光刻机的精度其实还与很多其他零部件相关比如演魔板它的移动加速度可以达到32级大约是过山车的8倍再比如晶圆台得处于浮空的状态为的就是将移动的精准度控制在纳米级别整个这个台座它是采取一个磁悬浮的一个状态一个物体的空间有六个自由度因为当时我说有twin station就是twin scanner根据那边扫描过的这个表面平整它把这个数据记录下来它在曝光的时候它根据那个平整的误差它要及时进行调整这样才能保证去应用 [30:00] 要修正它的不平整性还有金蕴台的表面平整度高度误差要低于10纳米为此ASML甚至专门成立了一个部门ASML角度来说它有一些模组应该是对平整的要求极高所以说它需要专门成立这么一个部门去解决一个特定事实上也听上去非常简单或者是比较普通的一个工作还有很多因素就不一一举例了正是因为芯片生产有太多干扰所以我们第一是否攻克某个制程时往往以良率是否足够高为标准而不是生产出样片就完事了我们总结下光刻机三大核心的现状第一EUV光源还在攻克更高功率极紫外光会使用到2035年甚至2040年第二亥特NA即将投产密集在十年内都将是主流第三芯片性能与AI算法的进步将进一步推动光刻机的提升同时在短期内光刻机的提升也会更加依赖于AI算法到这里我们也来尝试回答一下开头的问题芯片性能是否已经到了物理极限科技会就此锁死吗我们在之前英特尔那期视频中有提到他们推出英特尔7公益时其实是10nm工艺的感养版但当时由于篇幅限制我们删掉了一段内容玩这种文字游戏其实怪不得英特尔因为台积电与三星的工艺命名也不太hold of虽然英特尔采用了10nm工艺但晶体管的实际密度其实已经高于了台积电和三星的7nm所以为了不在宣传上落下风才改名为了英特尔7其实啊我们一直都被骗了厂商们宣传的什么5nm3纳米实际尺寸甚至都还没有低于20纳米那么芯片工艺的命名中到底掺杂了什么鬼呢要回答这个问题我们得简单科普一下芯片结构的眼镜在28纳米之前呢芯片上的晶体管都是这样的平面结构那时的命名方式以晶体管的三级长度为准这样大家就能大致判断晶体管有多大密度有多高这也对应着芯片的性能但随着晶体管越做越小由于量子碎穿效应晶体管就很容易漏电具体的原理我们就不多解释了为了应对这一问题工程师们决定让晶体管长出鱼鳍变成了名为FIMFIT的立体结构结构大变后要判断晶体管的大小就不能只看三级长度了毕竟有的结构可能一个三级对应了很多个鳍这时就得综合考虑旗片宽度旗片间距三级间距等等参数才能判断晶体管的大小或者密度既然没有一个标准可以衡量芯片性能那肯定是数值越小越好嘛此后芯片的工艺命名就是厂生们自己说了算了像我们开头说的日本Rapidus公司通过和IBM合作在7月18日宣称自己市场了2nm芯片但根据TechInsights的报告这款芯片只能算3纳米当然这个风气的话最早是这个台积电搞起来的那个时候台积电还落后于这个Intel所以他整天到晚想着这个说怎么跟Intel去竞争呢那他就开始把他每次往下的时候的话他就不是讲他真正的这个线宽了他就说每次我就是乘以这个点7对吧所以说我这个什么28完了就是20然后完了就是16然后完了就是12对吧然后就57所以它到最后的话就是这个几纳米的话跟这个上面的线宽是没有任何的关系的就是现在两纳米的话它上面的线宽实际上也是二十几纳米就是或者说P值P值是三十多纳米这是它能够做到的这个极限了所以芯片上的晶体管不论是尺寸还是间距都还远没有达到命名上的级纳米现在芯片的命名逻辑主要参考的是晶体管密度这也意味着芯片还有很多提升的空间近年来厂商们更是转向了GAAFight相当于从平面结构的平方升级到FinFight的两层房再升级到GAAFight的多层房虽然这些房子的占地面积相同但流过的电子数更多就相当于防止住的人更多了也变相地提升了芯片性能我们将到2040年后所以仍然有很多空间或者缺带回答下开头的问题由于现在芯片上的尺寸还远没有达到几纳米所以还有很多提升空间而ASML官方认为至少在2040年之前我们都不用担心这个问题现在我们把时间还给 [35:00] 倩姐继续来聊聊除了光刻机之外市场还有什么其他的方式正在探索好的那谢谢子庆那接下来我们来简单聊聊如果不用光刻机芯片制造的另外一种途径纳米压印是否可行那如果把传统的光刻机比作是一台激光打印机那么纳米压印光刻鼠就是活字印刷数它的核心原理就像盖章一样把电路图案压到晶圆表面在光刻胶上形成图案通过紫外光固化光刻胶后续再进行显影课时等步骤主流有三种方法分别是热压印紫外压印和微接触压印具体的原理我们在这里就不多赘述了这项技术也不是什么新鲜事早在1995年华裔科学家周玉Steven Cho就首次提出了纳米压印概念2003年NIL被纳入国际半导体技术蓝图直到2004年日本光刻机制造厂价能开始深入研发一出来的时候大家想了各种各样的方法对吧当然日本人的话他们这个印刷一直是做的挺不错的对吧其实他们还是蛮有底蕴的所以呢像Canon他后来因为就是觉得说已经是没有办法跟这个Asmile再去竞争了对吧所以Kanon就开始去跟这个DMP然后他们就去合作就想说我们来做这个压印对吧2023年10月佳能推出了第一代可量产的纳米压印光刻设备号称实现了最小线宽14纳米相当于5纳米制程同时佳能宣称未来有望实现最小线宽10纳米相当于2纳米制程目前纳米压印遇到的挑战主要有三点第一是模板成本高传统光刻的野模板比实际电路大了4倍制造成本相对较低而纳米压印需要1比1的模板制造难度极大同时由于模板或光刻胶和晶圆直接的接触会因为磨损导致精度下降需要频繁的更换这也带来了更高的生产成本第二就是产能较低ASML最新的HiNAEUV每小时可以生产185片就这都被台积电诟病而纳米压印每小时的产量只有100片平摊到每个芯片上的成本就更高了那么第三是良率低下由于纳米级电路非常脆弱模板脱模的时候非常容易断裂或者变形同时我们前面提到现在芯片变成了多层的结构压印电路的时候需要将不同的模板一层层去对齐那这其中的误差控制难度也高于投影式的光刻另外光刻胶的涂抹的平整度也要求更高了综合以上缺点纳米压印在尖端芯片领域推广起来还是有一些困难但是由于结构简单缺陷容忍度高的存储芯片的领域却很合适所以它后来主要的想法是说能够用在像Flash NAND上面那些的话它是因为存储所以它有些地方是BORK它其实没什么关系但最近他们其实发现了因为现在那个packaging变得很火了它那个好处是说它那个流域很大所以它其实不是说局限在一个wafor一个小的chip上所以现在有些想法是说用这个技术能够去做packaging的部分这可能我觉得是它的一个优势那么前面我们从技术角度分析了光刻机现状与未来然而除了技术问题之外影响芯片制造以及ASML的还有另外一个因素就是政治与经济了如今美国希望将芯片产业回流包括推出了芯片法案要求台积电在美国建厂等等虽然外界一直不看好在美国生产芯片但说到ASML加大在美国的生产时我们的采访嘉宾却认为这是完全可行的因为它这个行业毕竟和消费电子是完全不一样的它对人工成本的敏感性会低很多因为我当时在的那个赛实际上就是美国最大的生产赛当时我离开的时候大概有2000多个人现在估计能有翻一倍4000多人差不多很有可能那个地方也是一直在扩建说他是想要更多的在美国制造我觉得是完全可行的然而随着美国发起关税战也在一定程度上打击了ASML将生产线搬迁至美国的决心给ASML股价带来了不小压力ASML作为一家荷兰公司为什么会受到美国政策的限制呢一方面ASML官克机中的许多核心领导 [40:00] 都用到了美国公司的技术比如极紫外激光器来自于ASML收购的美国公司SIMER所以不得不受到美国商务部的管制那另外一方面就比较有意思了那就是ASML的崛起有部分原因是来自于美国政府的扶持1999年美国发起了EUV LLC项目用于推动EUV的技术研发这个项目是为了巩固美国在芯片行业中的先进地位但ASML却和美国能源部达成了协议参与到了其中此外ASML还有许多关键的技术来源于2001年收购的美国公司SVG硅谷集团而要知道SVG的许多业务涉及到军工然而最终美国政府依然批准了这项收购只要求玻璃SVG下属的Tinsley部门也就是军用光学产品部门而之所以美国愿意扶持ASML这个禁铃其实是为了打压远轻的日本半导体产业具体细节呢因为篇幅原因啊我们在这里就不细说了大家如果对这部分内容感兴趣的话欢迎翻阅我们采访嘉宾Mark Hendrink的新书《光刻巨头ASML传奇之路》Mark在ASML内部追踪了近十年收录了非常多一手的独家资料我们这期视频的一些故事也来源于这本书而正是因为ASML与美国之间有多项交织所以受制于美国政策而ASML拥有5000多家供应商供应链复杂度不比苹果低他们的生产是否会受到影响呢因为我在大斯麦和苹果的功能我从产品quality的角度来看阿斯麦你可以想象你每一个零件都是手工雕琢出来它可以承受这样的高精度的需求可能生产100个零件有99个都报废留着你一个是达到它要求的甚至说它每个零件的尺寸有误差最后弥补出来成为我需要的那个纸它可以用这样的方式来实践它的目的但是苹果是不一样苹果你要做生产你是规模性生产你要考虑的是统计学上的这些问题政态分布简单来说就是说你怎么能够保证你的产品几万几千万都是consistent所以目前来看光刻机生产不会受到太大影响但ASML的CEO Christoph Fouquet也在今年7月中旬警告称受美国关税政策的影响ASML可能无法在2026年实现增长由此也引发了最近股价的大幅度下跌有意思的是这名CEO也因此被股民一顿臭骂大伙就觉得你咋就那么实诚呢本来财报不错非有降低未来的展望指引把股价给打成这样这也让我想到在去年年底的时候ASML也因为财报提前泄露导致了股价大幅度下跌而在战绩作者Mark看来这也是ASML企业文化很矛盾的地方一方面它生产着全世界最精密的仪器但是在另外一方面在企业管理上又经常出现疏忽跟技术的技术或技术的技术使用的公司被返回到网上的网上可以被返回到网上所以这可能会被个避免的错误但这就是ASML所以这就是ASML的文化因为他们一直在急著他们一直在抵制期间这样你会常常忘记了这些问题的问题虽然各国在光客产业上存在政治与利益的分歧但是我们从大众的角度上来看依然希望能够看到这项技术的进步因为光刻机投射的远不止晶圆上的纳米电路AI大模型的狂雕突进深空探测器的遥远征途深海奥秘的精准晦测基因图谱的快速解析无不依赖于这台精密机器或许时刻是文明的最后墓碑而光刻却是文明前进的引擎那以上就是本期视频的全部内容了你们的留言点赞和转发是支持我们硅谷101要做好深度科技和商业内容的最佳动力我是陈健那我们就下期节目再见了Bye