北大连夜报喜！1纳米芯片绕开光刻机，中国换道超车，西方失算了

长期以来，全球高端芯片制造被光刻机牢牢束缚，而顶级的EUV光刻机被荷兰阿斯麦垄断。

想要制造10纳米以下的先进芯片，几乎离不开EUV光刻机，而这种设备不仅价格昂贵，还被西方层层封锁。

在美国芯片法案的限制下，阿斯麦被禁止出口EUV机台到中国，甚至连台湾的EUV机台内都装好了自动锁死装置，做了最坏打算，让中国即使清台也无法窃取这项技术。

西方笃定，只要死死守住光刻机这道关，就能牢牢掌握芯片领域的话语权。

但到底为什么这台机器全世界都抢着要？我们真的没办法打造另一间阿斯麦吗？

做芯片的关键技术我们在1957年就知道了。芯片本质上就是在晶圆上堆材料，但每一层堆砌的材料都要透过蚀刻画下图案，再叠上下一层材料，反复进行。为了确保芯片上的图案正确，1957年，莱斯罗普发展了一套微影制程方法。

首先在晶圆上长出你要的材料，接着涂上光阻剂。下一个关键步骤是曝光，你必须准备好光罩，放在紫外光和你的芯片之间。光罩上方会有图案阻挡紫外线穿过，那些没有被阻挡的紫外光会让光阻剂的化学特性产生变化。

以负光阻为例，照射到紫外光的光阻剂溶解度会因而改变，当用溶剂冲洗的时候，这些部分会被留下来，而因为光罩阻挡、没有照到紫外线的部分则会直接被冲洗掉。

最后放入氢氟酸或其他溶剂，那些没有被光阻剂保护的地方就会被溶剂蚀刻，刻下你想要的图案。到这边一次微影制程完成了，你印上了第一层的图案，接着只要重复一次次的循环，最后就可以在晶圆上盖出立体的芯片。

当我们想要做出更小的芯片，其中的关键是如何在光阻剂上留下更细小的图案。过去只要将光罩的尺寸缩小，就能不断造出缩小版的图案。但是当光罩小到一定程度的时候，绕射现象发生了。

具体来说，当图案的宽度小于半个光波波长时，光波就会发生绕射现象——光波在经过狭缝时，不只会笔直前进，还会在转角处转弯，刻出错误的图案。也就是说，虽然光罩可以不断缩小，但如果要确保图案的正确性，每个结构的大小都无法小于曝光光源的半个波长以下。

例如在2000年初期，当时使用的光源是雷射，雷射的波长已经从深紫外线的248nm缩短为193奈米。193奈米的光源要应付现在7奈米以下的制程，绝对是力不从心。

为了绕过这个物理极限，科学家尝试透过各种方法来克服。例如浸润式蚀刻或是多重曝光。浸润式蚀刻指的是在光源和芯片之间涂上一层水或其他液体，改善光学路径，这有点像我们在使用高倍显微镜的时候会在镜头和样本之间滴上一滴镜油。

多重曝光指的则是将一个图案分成多次拍摄，例如如果有六条线123456要曝光，可以分为两次，第一次拍135，第二次拍246，如此增加线与线之间的间距，就能尽可能减少绕射的发生。

这些方法统称为解析度增强技术（RET），希望在波长不变的情况下，透过重新设计，拍出解析度更高的图案。

除此之外，因为绕射产生时紫外线会随着光罩与芯片距离增加、偏移越来越严重，1970年代也有人直接将光罩放在晶圆上与光阻剂直接接触，以减少光罩与表面的距离。

但是这种方法在曝光结束、光罩被提起来的时候，通常会沾黏光阻剂并损坏晶圆，最后这个方案作废，而是改为发展对准曝光机，通过精密设备帮助我们细调光罩与芯片的距离等各项参数，借此减少绕射现象。

在这些改进之下，虽然当时曝光的光源是193nm的深紫外线雷射，我们竟然还是一路挺进到7nm的制程节点。不过到了7nm以下，DUV终究遇到了瓶颈，科学家终究还是要往更小的波长曝光迈进。

改用短波长并非易事。例如光线必须透过透镜来聚焦，但一般的玻璃透镜会吸收短波长的紫外线，波长185nm以下的紫外线甚至会被空气吸收，因此整个微影过程必须在真空当中进行。困难的不只这些。

此时终于有人下定决心，要从193nm以下直接跳进到波长十分之一不到、只有13.5奈米的极紫外光（EUV）开发。而这个耗费30年时光、数十亿美元开发，至今全球也只有一间公司达成的伟大征途，就此展开了。

微影制程设备商的领头羊不断换人做。从莱斯罗普发明这套技术以来，德州仪器、柏金埃尔默、GCA，到1980年代的Nikon跟Canon，先后成为不同年代的关键厂商。最后在关键的1990年代，新的挑战者阿斯麦出现了，Nikon、Canon跟阿斯麦成为竞争微影设备市场的三巨头。

而Intel的一个决定打破了三足鼎立的局势。当时的Intel跟美国政府主导的实验室认为，日本的半导体产业正在快速发展，甚至许多原本属于美国的业务都被日本抢走了，如果真的要投资设备商，应该就要选择较为中立的荷兰厂商。

因此Intel决定与阿斯麦牵手，开启三十年的漫长研发合作。虽然这项任务耗费的时间、财力、精力都无比巨大，但巨额的投资也注定让阿斯麦在三十年后站上无可撼动的微影制程龙头地位。

Intel希望阿斯麦能开发出13.5奈米的极紫外光EUV设备，好应付未来更小的制程节点。

但光是要怎么制造稳定的13.5奈米光源就是一个极大的挑战，因为我们找不到一个雷射管或电灯泡可以直接发出13.5奈米的光。要发出EUV必须制造高能电浆，做法是用高强度的雷射打在标靶上，让标靶瞬间产生高能电浆并放出EUV。

这项用电浆制造EUV的任务，阿斯麦找了另一间雷射公司西蒙来完成。西蒙必须设计一套流程，利用二氧化碳雷射轰击金属锡来制造EUV。这个流程绝对比点亮一颗灯泡要困难许多。

首先金属锡要先化为一颗颗直径30微米的小锡滴，并且通过发射装置以时速300公里的速度快速穿过真空的腔室。

接着要用高功率二氧化碳雷射连续命中同一颗小锡滴两次：第一次的雷射负责加热小锡滴让它膨胀，第二次则会把它加热到摄氏22万度，形成一团滚烫的电浆，比太阳表面的温度还要高40倍。

这样这团高温电浆就会辐射出短波长的紫外线，也就是EUV。但这也只是一个短短的EUV脉冲，如果要确保机台稳定产生EUV，这个过程需要每秒重复完成5万次。

要完成这套轰击设备，上面说的大概只能算1%的困难度。例如光是要造出这套雷射，西蒙就找上了另一间雷射公司川普。川普花了10年打造这套雷射，最后每座雷射发射器竟然都需要使用超过45万个零件。

原来当雷射照射小锡滴之后，锡会被雷射轰击成残渣，影响后续EUV的产生，因此小锡滴必然需要快速移动，并且精准地控制雷射命中的次数，让新的小锡滴能不断进入反应腔内，稳定产生EUV光线。

题外话，除了锡之外，当时他们也考虑过其他元素，例如能发出波长更短、只有11nm EUV的氙电浆，但是氙发出来的EUV强度不够，锡还是首选。

讲到这里也只解决了一半的问题，因为就如同所有微影制程一样，那道光最终需要通过一连串的镜片组照射到芯片上。这部分最大的挑战就是EUV很容易被其他物质吸收。为了避免EUV跟空气反应而把环境抽成真空，大概是其中最简单的步骤，因为连镜片本身都会吸收EUV。

来自德国的光学镜片龙头公司蔡司承接下了这项任务。首先他们必须排除使用透镜折射对焦的方式，因为EUV只要穿过镜片就会因为被吸收而大幅衰弱，因此EUV机台当中是全部由反射镜组成的全反射式系统。但虽然改成了反射式，还是要解决EUV会被吸收的问题。

最后蔡司在镜片上镀上钼和硅两种薄膜，这两种材料互相交叠数十到一百次，这种构造称为布拉格反射镜。当光线在不同折射率的材料中前进，这个构造能创造更多的反射与建设性干涉，提高反射率。做法是有，但这项任务实际上还是极难达成。

为了让EUV能精准地照在目标位置，这些镜片必须非常平整。有多平整？如果把镜片等比例放大到台湾那么大，那么镜片上的瑕疵起伏高度只能容许在1%毫米之下，差不多是一根头发的宽度。

而光线聚焦的精准度，就等于你在地球上拿雷射笔去瞄准月球上的一颗乒乓球。唯有这样辛苦产生的EUV光，才能经过多次反射聚焦，精准穿过奈米级的光罩，落在光阻剂上。

Intel的光学微影执行长Mark Phillips就曾经表示，EUV是人类制造过最精密的仪器，可以说是人类科技力的极致展现。

要及时控制、校正这些不容一丝误差的镜片组、光罩与曝光平台的连动，就需要搭配超高精度的感测器，像是利用电容式位移计、电感式涡电流位移计，或是透过光学式设备如彩色共焦位移计或白光干涉仪。

这些不同量测原理的感测器都能对应不同的量测情境与材质，达到亚奈米级的精度，是许多半导体等精密工业设备的核心测量力器。

而在EUV里头，许多的感测器就是交给德国米一（Micro Epsilon）客制开发。除了在业界广为人知的彩色共焦技术，还有其他光学与非光学等方式多路监测EUV这部精密巨兽。

例如当介质些微移动，电容位移计就能通过介电质的变化来量测位移。实际上一台EUV里面就有将近1000颗来自米一的感测器。

在曝光机中需要校准的不只有镜片组，还有放上去的光罩，如果摆放位置偏了一些，最后缩小转映到晶圆上的时候就会产生缺陷，进而影响后面的良率。毕竟现在的半导体已经小到就算只差几层原子就会影响很大。

此外，与光罩相对的晶圆的位置也很重要，因为我们不可能去移动好不容易才校正好的EUV机台，因此曝光时负责移动的一定是晶圆。

EUV的双弓型平台能同时移动两片晶圆，一片进行曝光，另一片则同时进行量测，优化精准度。平台能以六个自由度高速运动，这里要仰赖的感测器则是精准到皮米级的涡电流位移计。

德国米一集团看重台湾市场，2022年在台湾设立了子公司台湾米一，为台湾的半导体设备商提供更在地的服务。从一般的目录标准品到针对客户需求设计的客制品，为台湾客户提供超高精度的感测器解决方案。

透过与阿斯麦、蔡司等顶尖设备商的合作经验，协助台湾的本土半导体设备升级。所有设备供应链里面的精密位移量测与定位任务都能看到米一感测器的身影，像是研磨设备、贴合设备、点焦机、高精度黏晶机、晶圆形貌量测设备等。

半导体产业的崛起，从芯片设计、芯片制造到设备商，如此密不可分、互助共荣。

回到EUV的诞生，历史告诉我们蔡司跟西蒙都成功完成了他们的任务。阿斯麦从2006年成功制作出第一台EUV样机之后，从此独霸市场一直到今天。

我们能看到另一间比肩阿斯麦的公司出现吗？可能很难。这种规模的公司与无数技术的创新跟整合，是需要花费数十年与数十亿美元投资才能够建立的。

那反过来我们该担心阿斯麦垄断整个市场吗？垄断已经是事实了，但是阿斯麦并不是单打独斗的公司。看完前面的介绍我们就知道，EUV机台的诞生还得归功于许多企业与零件商的共同努力，尤其是打造锡滴轰击设备的美国公司西蒙，和制作反光镜的德国公司蔡司。

阿斯麦自己生产的零件只有15%，他们真正的关键技术是将这些零件组装成一台能运作的EUV机台。虽然阿斯麦后来收购了西蒙，也入股了蔡司，但EUV绝非一间企业或一个国家就能独自完成的。EUV就是一台由多个国家与企业共同打造的工艺品。

当所有人都陷入"无光刻机，无先进芯片"的固有认知时，2026年3月，北京大学邱晨光团队公布了一项颠覆性成果——成功制备了迄今尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管，将物理栅长缩减到1纳米极限，且完全绕开了光刻机。

不同于传统芯片制造依赖光刻、蚀刻的三维立体加工模式，北大团队另辟蹊径，将目光放在二维材料和铁电晶体管上。

他们利用二维材料的特性，将单个只有3个原子厚度的晶体管堆叠起来，直接在硅芯片上生成二维材料层，实现了更密集的集成。这种方式不需要光刻机将电路图案刻在晶圆上，自然也不受光刻分辨率的限制。

团队还开发出低温生成工艺，避免了高温对硅晶体管和电路的损坏，并将二维材料的生成时间从一天缩短到一小时内。更关键的是，这项新技术与现有芯片制造的其他工艺完全兼容，不需要推翻现有生产线，只需在此基础上升级即可实现规模化生产。

这意味着，西方层层封锁光刻机、试图将中国芯片产业困在低端领域的战略前提，正在被一条全新的技术路线所动摇。EUV依然是当今半导体制造最精密的工艺巅峰，但芯片的未来，或许不再只有一条赛道。