北大連夜報喜！1納米芯片繞開光刻機，中國換道超車，西方失算了

長期以來，全球高端芯片制造被光刻機牢牢束縛，而頂級的EUV光刻機被荷蘭阿斯麥壟斷。

想要制造10納米以下的先進芯片，幾乎離不開EUV光刻機，而這種設備不僅價格昂貴，還被西方層層封鎖。

在美國芯片法案的限制下，阿斯麥被禁止出口EUV機臺到中國，甚至連臺灣的EUV機臺內都裝好了自動鎖死裝置，做了最壞打算，讓中國即使清臺也無法竊取這項技術。

西方篤定，只要死死守住光刻機這道關，就能牢牢掌握芯片領域的話語權。

但到底為什么這臺機器全世界都搶著要？我們真的沒辦法打造另一間阿斯麥嗎？

做芯片的關鍵技術我們在1957年就知道了。芯片本質上就是在晶圓上堆材料，但每一層堆砌的材料都要透過蝕刻畫下圖案，再疊上下一層材料，反復進行。為了確保芯片上的圖案正確，1957年，萊斯羅普發展了一套微影制程方法。

首先在晶圓上長出你要的材料，接著涂上光阻劑。下一個關鍵步驟是曝光，你必須準備好光罩，放在紫外光和你的芯片之間。光罩上方會有圖案阻擋紫外線穿過，那些沒有被阻擋的紫外光會讓光阻劑的化學特性產生變化。

以負光阻為例，照射到紫外光的光阻劑溶解度會因而改變，當用溶劑沖洗的時候，這些部分會被留下來，而因為光罩阻擋、沒有照到紫外線的部分則會直接被沖洗掉。

最后放入氫氟酸或其他溶劑，那些沒有被光阻劑保護的地方就會被溶劑蝕刻，刻下你想要的圖案。到這邊一次微影制程完成了，你印上了第一層的圖案，接著只要重復一次次的循環，最后就可以在晶圓上蓋出立體的芯片。

當我們想要做出更小的芯片，其中的關鍵是如何在光阻劑上留下更細小的圖案。過去只要將光罩的尺寸縮小，就能不斷造出縮小版的圖案。但是當光罩小到一定程度的時候，繞射現象發生了。

具體來說，當圖案的寬度小于半個光波波長時，光波就會發生繞射現象——光波在經過狹縫時，不只會筆直前進，還會在轉角處轉彎，刻出錯誤的圖案。也就是說，雖然光罩可以不斷縮小，但如果要確保圖案的正確性，每個結構的大小都無法小于曝光光源的半個波長以下。

例如在2000年初期，當時使用的光源是雷射，雷射的波長已經從深紫外線的248nm縮短為193奈米。193奈米的光源要應付現在7奈米以下的制程，絕對是力不從心。

為了繞過這個物理極限，科學家嘗試透過各種方法來克服。例如浸潤式蝕刻或是多重曝光。浸潤式蝕刻指的是在光源和芯片之間涂上一層水或其他液體，改善光學路徑，這有點像我們在使用高倍顯微鏡的時候會在鏡頭和樣本之間滴上一滴鏡油。

多重曝光指的則是將一個圖案分成多次拍攝，例如如果有六條線123456要曝光，可以分為兩次，第一次拍135，第二次拍246，如此增加線與線之間的間距，就能盡可能減少繞射的發生。

這些方法統稱為解析度增強技術（RET），希望在波長不變的情況下，透過重新設計，拍出解析度更高的圖案。

除此之外，因為繞射產生時紫外線會隨著光罩與芯片距離增加、偏移越來越嚴重，1970年代也有人直接將光罩放在晶圓上與光阻劑直接接觸，以減少光罩與表面的距離。

但是這種方法在曝光結束、光罩被提起來的時候，通常會沾黏光阻劑并損壞晶圓，最后這個方案作廢，而是改為發展對準曝光機，通過精密設備幫助我們細調光罩與芯片的距離等各項參數，借此減少繞射現象。

在這些改進之下，雖然當時曝光的光源是193nm的深紫外線雷射，我們竟然還是一路挺進到7nm的制程節點。不過到了7nm以下，DUV終究遇到了瓶頸，科學家終究還是要往更小的波長曝光邁進。

改用短波長并非易事。例如光線必須透過透鏡來聚焦，但一般的玻璃透鏡會吸收短波長的紫外線，波長185nm以下的紫外線甚至會被空氣吸收，因此整個微影過程必須在真空當中進行。困難的不只這些。

此時終于有人下定決心，要從193nm以下直接跳進到波長十分之一不到、只有13.5奈米的極紫外光（EUV）開發。而這個耗費30年時光、數十億美元開發，至今全球也只有一間公司達成的偉大征途，就此展開了。

微影制程設備商的領頭羊不斷換人做。從萊斯羅普發明這套技術以來，德州儀器、柏金埃爾默、GCA，到1980年代的Nikon跟Canon，先后成為不同年代的關鍵廠商。最后在關鍵的1990年代，新的挑戰者阿斯麥出現了，Nikon、Canon跟阿斯麥成為競爭微影設備市場的三巨頭。

而Intel的一個決定打破了三足鼎立的局勢。當時的Intel跟美國政府主導的實驗室認為，日本的半導體產業正在快速發展，甚至許多原本屬于美國的業務都被日本搶走了，如果真的要投資設備商，應該就要選擇較為中立的荷蘭廠商。

因此Intel決定與阿斯麥牽手，開啟三十年的漫長研發合作。雖然這項任務耗費的時間、財力、精力都無比巨大，但巨額的投資也注定讓阿斯麥在三十年后站上無可撼動的微影制程龍頭地位。

Intel希望阿斯麥能開發出13.5奈米的極紫外光EUV設備，好應付未來更小的制程節點。

但光是要怎么制造穩定的13.5奈米光源就是一個極大的挑戰，因為我們找不到一個雷射管或電燈泡可以直接發出13.5奈米的光。要發出EUV必須制造高能電漿，做法是用高強度的雷射打在標靶上，讓標靶瞬間產生高能電漿并放出EUV。

這項用電漿制造EUV的任務，阿斯麥找了另一間雷射公司西蒙來完成。西蒙必須設計一套流程，利用二氧化碳雷射轟擊金屬錫來制造EUV。這個流程絕對比點亮一顆燈泡要困難許多。

首先金屬錫要先化為一顆顆直徑30微米的小錫滴，并且通過發射裝置以時速300公里的速度快速穿過真空的腔室。

接著要用高功率二氧化碳雷射連續命中同一顆小錫滴兩次：第一次的雷射負責加熱小錫滴讓它膨脹，第二次則會把它加熱到攝氏22萬度，形成一團滾燙的電漿，比太陽表面的溫度還要高40倍。

這樣這團高溫電漿就會輻射出短波長的紫外線，也就是EUV。但這也只是一個短短的EUV脈沖，如果要確保機臺穩定產生EUV，這個過程需要每秒重復完成5萬次。

要完成這套轟擊設備，上面說的大概只能算1%的困難度。例如光是要造出這套雷射，西蒙就找上了另一間雷射公司川普。川普花了10年打造這套雷射，最后每座雷射發射器竟然都需要使用超過45萬個零件。

原來當雷射照射小錫滴之后，錫會被雷射轟擊成殘渣，影響后續EUV的產生，因此小錫滴必然需要快速移動，并且精準地控制雷射命中的次數，讓新的小錫滴能不斷進入反應腔內，穩定產生EUV光線。

題外話，除了錫之外，當時他們也考慮過其他元素，例如能發出波長更短、只有11nm EUV的氙電漿，但是氙發出來的EUV強度不夠，錫還是首選。

講到這里也只解決了一半的問題，因為就如同所有微影制程一樣，那道光最終需要通過一連串的鏡片組照射到芯片上。這部分最大的挑戰就是EUV很容易被其他物質吸收。為了避免EUV跟空氣反應而把環境抽成真空，大概是其中最簡單的步驟，因為連鏡片本身都會吸收EUV。

來自德國的光學鏡片龍頭公司蔡司承接下了這項任務。首先他們必須排除使用透鏡折射對焦的方式，因為EUV只要穿過鏡片就會因為被吸收而大幅衰弱，因此EUV機臺當中是全部由反射鏡組成的全反射式系統。但雖然改成了反射式，還是要解決EUV會被吸收的問題。

最后蔡司在鏡片上鍍上鉬和硅兩種薄膜，這兩種材料互相交疊數十到一百次，這種構造稱為布拉格反射鏡。當光線在不同折射率的材料中前進，這個構造能創造更多的反射與建設性干涉，提高反射率。做法是有，但這項任務實際上還是極難達成。

為了讓EUV能精準地照在目標位置，這些鏡片必須非常平整。有多平整？如果把鏡片等比例放大到臺灣那么大，那么鏡片上的瑕疵起伏高度只能容許在1%毫米之下，差不多是一根頭發的寬度。

而光線聚焦的精準度，就等于你在地球上拿雷射筆去瞄準月球上的一顆乒乓球。唯有這樣辛苦產生的EUV光，才能經過多次反射聚焦，精準穿過奈米級的光罩，落在光阻劑上。

Intel的光學微影執行長Mark Phillips就曾經表示，EUV是人類制造過最精密的儀器，可以說是人類科技力的極致展現。

要及時控制、校正這些不容一絲誤差的鏡片組、光罩與曝光平臺的連動，就需要搭配超高精度的感測器，像是利用電容式位移計、電感式渦電流位移計，或是透過光學式設備如彩色共焦位移計或白光干涉儀。

這些不同量測原理的感測器都能對應不同的量測情境與材質，達到亞奈米級的精度，是許多半導體等精密工業設備的核心測量力器。

而在EUV里頭，許多的感測器就是交給德國米一（Micro Epsilon）客制開發。除了在業界廣為人知的彩色共焦技術，還有其他光學與非光學等方式多路監測EUV這部精密巨獸。

例如當介質些微移動，電容位移計就能通過介電質的變化來量測位移。實際上一臺EUV里面就有將近1000顆來自米一的感測器。

在曝光機中需要校準的不只有鏡片組，還有放上去的光罩，如果擺放位置偏了一些，最后縮小轉映到晶圓上的時候就會產生缺陷，進而影響后面的良率。畢竟現在的半導體已經小到就算只差幾層原子就會影響很大。

此外，與光罩相對的晶圓的位置也很重要，因為我們不可能去移動好不容易才校正好的EUV機臺，因此曝光時負責移動的一定是晶圓。

EUV的雙弓型平臺能同時移動兩片晶圓，一片進行曝光，另一片則同時進行量測，優化精準度。平臺能以六個自由度高速運動，這里要仰賴的感測器則是精準到皮米級的渦電流位移計。

德國米一集團看重臺灣市場，2022年在臺灣設立了子公司臺灣米一，為臺灣的半導體設備商提供更在地的服務。從一般的目錄標準品到針對客戶需求設計的客制品，為臺灣客戶提供超高精度的感測器解決方案。

透過與阿斯麥、蔡司等頂尖設備商的合作經驗，協助臺灣的本土半導體設備升級。所有設備供應鏈里面的精密位移量測與定位任務都能看到米一感測器的身影，像是研磨設備、貼合設備、點焦機、高精度黏晶機、晶圓形貌量測設備等。

半導體產業的崛起，從芯片設計、芯片制造到設備商，如此密不可分、互助共榮。

回到EUV的誕生，歷史告訴我們蔡司跟西蒙都成功完成了他們的任務。阿斯麥從2006年成功制作出第一臺EUV樣機之后，從此獨霸市場一直到今天。

我們能看到另一間比肩阿斯麥的公司出現嗎？可能很難。這種規模的公司與無數技術的創新跟整合，是需要花費數十年與數十億美元投資才能夠建立的。

那反過來我們該擔心阿斯麥壟斷整個市場嗎？壟斷已經是事實了，但是阿斯麥并不是單打獨斗的公司。看完前面的介紹我們就知道，EUV機臺的誕生還得歸功于許多企業與零件商的共同努力，尤其是打造錫滴轟擊設備的美國公司西蒙，和制作反光鏡的德國公司蔡司。

阿斯麥自己生產的零件只有15%，他們真正的關鍵技術是將這些零件組裝成一臺能運作的EUV機臺。雖然阿斯麥后來收購了西蒙，也入股了蔡司，但EUV絕非一間企業或一個國家就能獨自完成的。EUV就是一臺由多個國家與企業共同打造的工藝品。

當所有人都陷入"無光刻機，無先進芯片"的固有認知時，2026年3月，北京大學邱晨光團隊公布了一項顛覆性成果——成功制備了迄今尺寸最小、功耗最低的鐵電晶體管，將物理柵長縮減到1納米極限，且完全繞開了光刻機。

不同于傳統芯片制造依賴光刻、蝕刻的三維立體加工模式，北大團隊另辟蹊徑，將目光放在二維材料和鐵電晶體管上。

他們利用二維材料的特性，將單個只有3個原子厚度的晶體管堆疊起來，直接在硅芯片上生成二維材料層，實現了更密集的集成。這種方式不需要光刻機將電路圖案刻在晶圓上，自然也不受光刻分辨率的限制。

團隊還開發出低溫生成工藝，避免了高溫對硅晶體管和電路的損壞，并將二維材料的生成時間從一天縮短到一小時內。更關鍵的是，這項新技術與現有芯片制造的其他工藝完全兼容，不需要推翻現有生產線，只需在此基礎上升級即可實現規模化生產。

這意味著，西方層層封鎖光刻機、試圖將中國芯片產業困在低端領域的戰略前提，正在被一條全新的技術路線所動搖。EUV依然是當今半導體制造最精密的工藝巔峰，但芯片的未來，或許不再只有一條賽道。