在先進芯片制造方面，EUV 光刻機是不得不提的重要組成。而提及 EUV 光刻的時候，大家首先想到的是 ASML。誠然，作為市場上領先的光刻機廠商，ASML 在光刻機方面的實力不容忽視。特別是在當前備受關注的 EUV 光刻機方面，ASML 已然成為全球唯一的供應商。
但其實作為全球半導體的發源地，美國在 EUV 光刻方面的實力也不容忽視。雖然沒有 EUV 光刻機，但其中關鍵的組成光源，則是由 ASML 收購的美國公司 Cymer 開發。
進入近年來，隨著美國想在芯片制造方面獲得更大的成就，他們在 EUV 光刻上，也有了更多的投入。例如來自美國芯片巨頭 Intel，已經在這方面有了很多投入。除此以外，山姆大叔在包括 EUV 研究以及其他光刻方面，也做了更多布局。
斥巨資，搞 EUV 光刻
美國方面近日宣布，其 CHIPS for America 極紫外 ( EUV ) 加速器盛大啟用。
2023 年 12 月，美國紐約州宣布與 IBM、美光、應用材料、東京電子等半導體行業領導者建立新的 100 億美元合作伙伴關系，在 NY CREATES 的奧爾巴尼納米技術綜合體建立下一代半導體研發中心。
據介紹，該公私合作伙伴關系將資助建設尖端的 High NA 極紫外光刻中心——北美第一個也是唯一一個公有的 High NA EUV 中心——該中心將支持世界上最復雜、最強大的半導體的研發。除了對紐約州首府地區的轉型性投資外，此次合作還將使紐約州成為全美最先進的公有半導體研發基礎設施所在地，支持紐約州科技經濟的長期增長。
為支持該項目，紐約州已投資 10 億美元擴建奧爾巴尼納米技術中心，通過購買 ASML 的 EXE:5200 高數值孔徑 EUV 掃描儀建立高數值孔徑 EUV 中心，并建造了納米晶圓反射工廠（NanoFab Reflection）。該工廠是一座全新的、高度先進的建筑，擁有超過 5 萬平方英尺的潔凈室空間，將促進未來合作伙伴的發展，并支持國家半導體技術中心、國家先進封裝制造計劃和國防部微電子公共項目等新項目。
美國方面表示，EUV 加速器將專注于開發最先進的高數值孔徑 EUV 技術及其相關研發。他們指出，EUV 光刻技術已成為實現 7 納米以上晶體管量產的關鍵技術，盡管在 1.6 納米和 1.4 納米工藝中，2 納米以下的制程仍使用高數值孔徑 EUV。ASML 表示，該中心將為更廣泛的公司開發使用 EUV 和高數值孔徑 EUV 的工藝步驟提供支持。
總體而言，這個 EUV 加速器的主要功能包括：
1、使用尖端 EUV 光刻工具和下一代研發能力，包括高數值孔徑 ( NA ) EUV 系統，目前提供標準 NA EUV，預計 2026 年提供 High NA EUV。
2、為行業、學術界和政府合作伙伴提供合作空間和資源，以推動技術創新。
3、專門的現場 Natcast 辦公室和工作人員為 Natcast 和 NSTC 成員研究人員提供支持。支持提供、培養和發展人才隊伍的計劃。
4、通過在 EUV 加速器內和所有 NSTC 設施內營造開放、協作的研發環境，促進 NSTC 成員的廣泛參與。
美國政府表示，獲得 EUV 光刻技術研發對于擴大美國的技術領先地位、減少原型制作的時間和成本以及建立和維持半導體勞動力生態系統至關重要。
Natcast 首席執行官 Deirdre Hanford 表示： "EUV 加速器的盛大啟用對 Natcast、NSTC 以及整個美國半導體生態系統而言都具有里程碑式的意義。這一先進的設施彰顯了我們致力于在美國開發和推進下一代半導體技術的承諾。EUV 光刻技術已成為實現更小、更快、更高效芯片批量生產的基石技術。通過 EUV 加速器，我們將為 Natcast 和 NSTC 成員研究人員提供關鍵工具，以促進更廣泛的研究，并開辟商業化途徑，從而提升美國在未來技術領域的領導地位。"
探索 EUV 的替代者
除了在當前的 EUV 方面上發力。從過去幾年的報道中我們可以看到，來自美國的企業，也正在 EUV 光刻的替代技術上發力。
今年四月，美國初創公司 xLight 宣布，希望使用粒子加速器為光刻機產生光，并聲稱它可以在 2028 年之前生產出這種光源，同時保持與現有工具的兼容性。xLight 在官網表示，公司的使命是將粒子加速器驅動的自由電子激光器 ( FEL：Free Electron Lasers ) 商業化，以滿足美國關鍵的經濟和國家安全應用。xLight 也指出，公司正在打造全球最強大的激光器，以革新半導體光刻、計量技術以及其他關鍵的經濟和國家安全應用。
據介紹，激光等離子體是目前用于尖端半導體制造的唯一 EUV 光產生方法。然而，它極其耗電（約 1.5 MW 的電力僅能產生 500 W 的光），并且無法完全支持 ASML 現有和未來版本的掃描儀，因為這些掃描儀需要高達 2 kW 的光源功率。
" 我們為半導體市場開發了一種全新的極紫外 ( EUV ) 自由電子激光 ( FEL ) 光源，以取代目前已接近物理極限的激光等離子體 ( LPP ) 光源。我們的 FEL 系統將顯著增強 ASML 的技術路線圖，在降低資本和運營成本的同時，提升半導體晶圓廠的生產能力，并助力美國重振其在先進半導體領域的領先地位。" xLight 強調。
五月，又一家名為 Inversion Semiconductor 的美國公司浮出水面。據介紹，Inversion Semiconductor 的目標是利用 " 臺式 " 粒子加速器來產生所需的高功率光，這種加速器能夠將電子加速到厘米級的極高能量，而不是像歐洲核子研究中心 ( CERN ) 和斯坦福直線加速器 ( SLAC ) 的大型加速器那樣需要公里級。他們希望利用由高功率激光器驅動的等離子體波（ Wakefield）來實現這一目標。具體而言，就是一項叫做 Laser Wakefield Acceleration （LWFA）的技術。
從原理上看，LWFA 利用強激光脈沖與等離子體的相互作用，將電子在極短距離內加速到極高的能量。這個過程類似于沖浪者在船后尾流中沖浪：電子在等離子波中 " 沖浪 "，并在行進過程中獲得能量。
借助該現象可產生緊湊、高功率的光源。Inversion 預計，LWFA 可以將用于產生高能光的傳統粒子加速器縮小 1000 倍至桌面大小，也就是說，其尺寸將從幾公里縮小到一米左右；在相同數值孔徑（NA）的情況下，能將晶體管密度增加 100％；基于該項技術，能將臨界尺寸均勻性提高 25%，顯著改善新型晶體管架構和計算范式（包括量子和可逆）的高深寬比特征的制造。
該公司表示，其目標是產生 1 千瓦的軟 X 射線（20 納米至 6 納米）。如果成功，這一里程碑將為用戶設施的建設奠定基礎，屆時預訂光束時間將像預訂 SpaceX 發射一樣簡單——只需使用信用卡即可。
同時，該公司將開發新型鏡面系統，用于反射和聚焦產生的 X 射線。這將使我們能夠使用由 STARLIGHT 驅動的初始 LITH-0 系統演示硅圖案化。
按照 Inversion 的計劃，公司將使用其先進的光源投射圖案，就像傳統的 EUVL 一樣，但該光源可調至 13.5 納米或更低的波長，下一代目標波長為 6.7 納米。此外，該公司聲稱，它可以在相同數值孔徑下使晶體管密度翻倍，同時實現現有機器三倍的吞吐量。該光源的亮度也可能足以照亮多個晶圓臺，因此一個光源搭配四臺或八臺光刻機將進一步提高制造效率。
日歐也在探索新機會
其實除了美國以外，日本和歐洲也在探索 EUV 光刻的新機會。
例如挪威初創公司 Lace Lithography AS 表示，其正在開發一種光刻技術，該技術使用向表面發射的原子來定義特征，其分辨率超出了極紫外光刻技術的極限。據了解，Lace Litho 所稱的 BEUV 理論上可以實現更精細的特征，支持晶體管的持續小型化并延伸摩爾定律。
眾所周知，傳統的 EUV 系統使用 13.5nm 波長的光，通過一系列反射鏡和掩模在晶圓上形成圖案。原子光刻技術能夠實現直接無掩模圖案化，其分辨率甚至小于受波長限制的 EUV 系統所能達到的分辨率。
該公司在其網站上聲稱：" 通過使用原子代替光，我們為芯片制造商提供了領先當前技術 15 年的功能，而且成本更低、能耗更低。"
據了解，該項目來自一個由歐盟資助的項目 FabouLACE 。具體而言是采用亞穩態原子和基于色散力的掩模，可實現 2 納米工藝。歐盟委員會表示，Lace 光刻技術已獲授權在 2031 年前將該技術推向市場。與此同時，該技術的性能將由 IMEC 研究機構進行監測和驗證。NanoLACE 是歐洲早期的一個研究項目，于 2024 年 12 月 31 日結束。該項目于 2019 年啟動，已獲得 336 萬歐元的資助，其預算為 365 萬歐元。
日本筑波高能加速器研究組織（KEK）的一組研究人員也認為，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技術可能會更便宜、更快速、更高效。
美國弗吉尼亞州托馬斯 · 杰斐遜國家加速器設施退休的高級研究員斯蒂芬 · 本森 ( Stephen Benson ) 曾估計，整個 EUV-LPP 系統的電光轉換效率可能不到 0.1%。他說，像 KEK 正在開發的這種自由電子激光器，其效率可能是前者的 10 到 100 倍。
據介紹，KEK 正在開發的系統通過將電子加速到相對論速度，然后以特定方式偏離其運動來產生光。如他們所說，這個過程始于電子槍將電子束注入一根數米長的低溫冷卻管。在這個管子里，超導體發出射頻 ( RF ) 信號，驅動電子越來越快地移動。然后電子旋轉 180 度，進入一個叫做波蕩器的結構，這是一系列方向相反的磁鐵。（KEK 系統目前有兩個。）波蕩器迫使高速電子沿正弦路徑運動，這種運動導致電子發光。
寫在最后
其實現代光刻機發展到當下，也是經過很多技術探索嘗試才得出現在的結果。換而言之，當前很多解決方案，也許在過去就有過嘗試，但可能受限于當時的了解，失敗了。
從 ASML 的分享中我們也明白到，其實繼續推進 EUV 光刻，不是不可能，例如在數值孔徑方面，該公司就正走在從 High NA 到 Hyper NA 的演進。未來會有什么新方法，我們也不能預測。
但可以肯定的是，芯片性能的繼續提升，應該是板上釘釘的。問題就在于取決于 EUV 光刻，還是其他諸如封裝等技術了。
