39 EUV光刻机
迪伦·麦克格斯（Dylan McGrath），《英特尔再次减持阿斯麦股份》（Intel Again Cuts Stake in ASML），《电子工程专辑》英文版，2018年10月12日。 苹果并不是半导体行业中唯一拥有令人困惑的复杂供应链的公司。到2010年末，荷兰光刻机公司阿斯麦已经花了近20年的时间试图使极紫外光刻发挥作用。要做到这一点，阿斯麦就需要在世界上搜寻最先进的部件、最纯净的金属、最强大的激光器和最精确的传感器。EUV光刻机是我们这个时代最大的技术赌注之一。2012年，在阿斯麦生产出功能性EUV光刻机之前的几年，英特尔、三星和台积电都直接投资于阿斯麦，以确保其拥有足够的资金继续开发未来芯片制造能力所需的EUV光刻机。2012年，仅英特尔就向阿斯麦投资了40亿美元。 这是该公司有史以来最大的赌注之一。此前，英特尔在EUV光刻机上投入了数十亿美元的赠款和资金，可追溯到安迪·格鲁夫时代。
采访约翰·泰勒，2021年。 EUV光刻机背后的想法，正如一位参与该项目的科学家所说的，与英特尔和其他芯片公司组成的财团，当年给几个国家实验室提供“无限资金去解决一个不可能解决的问题” 时，没有什么不同。这个概念与杰伊·莱思罗普的倒置显微镜基本相同：通过使用掩模来阻挡部分光线，从而形成光波图案，然后投射到硅片上的光刻胶上。光与光刻胶反应，使材料沉积或蚀刻成完美形状成为可能，从而完成芯片制造。
莱思罗普使用了简单的可见光和柯达生产的现成光刻胶。通过使用更复杂的透镜和化学物质，人们最终可以在硅片上刻出几百纳米尺寸的形状。可见光的波长本身是几百纳米，这取决于颜色，因此随着晶体管越来越小，它最终面临着极限。该行业后来转向波长为248纳米和193纳米的紫外光，紫外光相比可见光可以更精确地雕刻出图形。但这还不够，因此人们将希望寄托在波长为13.5纳米的极紫外光上。
使用EUV带来了新的困难，事实证明这个困难几乎不可能得到解决。在莱思罗普使用显微镜、可见光和柯达生产的光刻胶的地方，所有关键的EUV光刻机部件都必须专门制作，你不能简单地买一个EUV灯泡。要想产生足够的EUV，需要用激光轰击一个小锡球。西盟（Cymer）是由加州大学圣地亚哥分校的两位激光专家创立的公司，自20世纪80年代以来一直是光刻光源领域的主要参与者。该公司的工程师们意识到，最好的方法是以大约每小时200英里的速度在真空中射出一个三千万分之一米直径的小锡球，然后用激光照射锡两次，第一次脉冲加热锡，第二次脉冲将锡球轰成温度约为50万摄氏度的等离子体，这比太阳表面热很多倍。然后，这个轰锡过程每秒重复5万次，以产生制造芯片所需强度的EUV。从那时起，复杂性的增加令人难以置信，而以前莱思罗普的光刻工艺只需借助于一个简单的灯泡作为光源。
采访两位通快高管，2021年。 西盟的光源需要由一种新的激光器以足够大的功率轰击锡滴产生。这需要功率比以前任何激光器都要强大的二氧化碳激光器。2005年夏天，西盟的两名工程师联系了一家名为通快（Trumpf）的德国精密工具公司，看看它能否制造出这样的激光器。通快制造了世界上最好的用于精密切割的二氧化碳激光器。在最好的德国工业传统里，这些激光器是机械加工的纪念碑。因为在二氧化碳激光器产生的能量中，大约80%是热量，只有20%是光，所以从机器中抽取热量也是一个关键的挑战。 通快之前设计了一种鼓风机系统，风扇每秒转动1000次，由于速度太快，鼓风机无法依靠物理轴承。最终，该公司学会了使用磁铁，因此风扇可以在空气中飘浮，并且在从激光系统中吸出热量时不会与其他部件发生摩擦，也不会危及可靠性。
《通快激光放大器》（TRUMPF Laser Amplifier），通快，https://www.trumpf.com/en_US/products/laser/euv-drive-laser/。 通快在提供西盟所需的精确性和可靠性方面享有盛誉和良好纪录。那么，通快能提供大功率的激光器吗？EUV激光器的功率比通快已经生产的任何激光器的功率都要大。此外，西盟要求的精确度比通快之前处理过的任何项目都更精确。西盟提出了一种由四个部件组成的激光器：一是两个“种子”激光器，虽然其功率低，但能精确地控制每个脉冲，使激光每秒能击中5万个锡滴；二是四个增加光束功率的谐振器；三是一个超精确的“光束传输系统”，可以将光束引导到锡液滴室，光束路径超过30米；四是一个最终聚焦装置，以确保激光每秒直接命中数百万次。
采访通快两位高管，2021年。马克·劳里（Mark Lourie），《II-VI公司扩大EUV光刻机通快高功率CO2激光器的金刚石窗口的制造能力》（II-VI Incorporated Expands Manufacturing Capacity of Diamond Windows for TRUMPF High Power CO2 Lasers in EUV Lithography），世通社，2018年12月19日，https://www.globenewswire.com/newsrelease/2018/12/19/1669962/11543/en/II-VI-Incorporated-Expands-Manufacturing-Capacity-of-Diamond-Windows-for-TRUMPF-High-Power-CO2-Lasers-in-EUV-Lithography.html。 每一步都需要创新。激光室中的特殊气体必须保持恒定密度。锡滴本身能够反射光，反射光有可能进入激光系统形成干扰。为了防止这种情况的出现，激光系统需要特殊的光学部件。通快需要工业钻石来提供激光离开腔室的“窗口”，必须与合作伙伴合作开发新的超纯钻石。通快花了十年时间来应对这些挑战，生产出了功率和可靠性都足够的激光器。每台光源需要整整457329个部件。
在西盟和通快找到了一种方法来轰击锡并使其发出足够强的EUV后，下一步是制作反射镜，收集光并将其指向硅芯片。制造世界上最先进光学系统的德国公司蔡司自珀金埃尔默和GCA成立以来，就为光刻系统制造反射镜和透镜。但过去使用的光学部件与EUV所需的光学部件之间的差异，大约与莱思罗普的灯泡和西盟的锡滴喷射系统之间的差异一样巨大。
C.蒙特卡姆（C. Montcalm），《极紫外线光刻的多层反射涂层》（Multilayer Relective Coatings for Extreme-Ultraviolet Lithography），能源部科学技术信息办公室，1998年3月10日，https://www.osti.gov/servlets/purl/310916。《彼得·库兹博士访谈：“击中月球上的高尔夫球”》（Interview with Dr. Peter Kurz:“Hitting a Golf Ball on the Moon”），《光子学世界》（World of Photonics），https://world-of-photonics.com/en/newsroom/photonics-industryportal/photonics-interview/dr-peter-kuerz/。《蔡司——为明天的微芯片开辟新天地》（ZEISS: Breaking New Ground for the Microchips of Tomorrow），蔡司集团，YouTube视频，2019年8月2日，https://www.youtube.com/watch?v=XeDCrlxBtTw。 蔡司面临的主要挑战是EUV难以反射。13.5纳米波长的EUV更接近X射线而不是可见光。与X射线一样，许多材料吸收EUV，而不是反射EUV。蔡司开始开发由100层交替的钼和硅制成的反射镜，每层厚度为几纳米。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员在1998年发表的一篇论文中确定了这是目前最佳的EUV反射镜。 但是，制造这样一个具有纳米级精度的反射镜被证明几乎是不可能的。最终，蔡司创造了有史以来最光滑的镜子，其中的缺陷小到几乎难以察觉。蔡司表示，如果EUV光刻系统中的镜子按比例放大到德国面积大小，它们最大的不平整度是十分之一毫米。为了精确地引导EUV，EUV光刻系统中的镜子必须保持完全静止，这需要机械和传感器高度精确，以至蔡司宣称其可以让激光击中月球上的高尔夫球。
《负责任的供应链：为高科技行业设置更高的标准》（Responsible Supply Chain: Setting the Bar Higher for the High-Tech Industry），阿斯麦，https://www.asml.com/en/company/sustainability/responsible-supplychain。采访弗里茨·范霍特，2021年。 2013年，范霍特接管了阿斯麦的EUV光刻业务。对于他来说，EUV光刻系统最关键的投资不是某个单一部件，而是公司的供应链管理技能。范霍特解释道，阿斯麦“像机器一样”设计了这个商业关系网络，产生了一个由数千家公司组成的能够满足阿斯麦严格要求的精细协调系统。 他估计，阿斯麦本身只生产了EUV光刻机部件的15%，其余部分是从其他公司购买的。这使得阿斯麦可以获得世界上最精细的产品，但它需要不断地监控。
新闻稿：《蔡司和阿斯麦将在21世纪20年代初加强下一代EUV光刻的合作关系》（Press Release: ZEISS and ASML Strengthen Partnership for Next Generation of EUV Lithography Due in Early 2020s），阿斯麦，2016年11月3日，https://www.asml.com/en/news/press-releases/2016/zeiss-and-asmlstrengthen-partnership-for-next-generation-of-euv-lithography。采访阿斯麦供应商高管，2021年。 阿斯麦别无选择，只能依靠单一来源获得EUV光刻系统的关键部件。为了管理这一点，阿斯麦深入了解其供应商的源头，以了解风险。阿斯麦以投资形式回报某些供应商，比如2016年支付给蔡司10亿美元，为蔡司的研发提供资金。 这样，所有供应商都达到了严格的标准。阿斯麦的首席执行官彼得·温宁克（Peter Wennink）告诉一家供应商：“如果你不守规矩，我们就会把你买下来。” 这并不是一个玩笑：阿斯麦最终买下了包括西盟在内的几家供应商，因为阿斯麦认为自己可以更好地管理它们。
伊戈尔·弗门科夫等，《批量制造EUV光源：技术、性能和功率放大》（Light Sources for High-Volume Manufacturing EUV Lithography: Technology，Performance，and Power Scaling），《先进光学技术》（Advanced Optical Technologies），第6卷，第3-4期，2017年6月8日。 结果，一台拥有数十万个部件的机器，花费了数百亿美元和几十年的时间来研发。奇迹不仅仅在于EUV光刻技术的成功，还在于EUV光刻技术能够以足够可靠的成本生产芯片。极端的可靠性对于EUV光刻系统中的任何部件都至关重要。阿斯麦为每个部件设定了一个平均使用时间至少为3万小时的目标——大约四年后才需要维修。 实际上，这些部件需要频繁地进行维修，因为每个部件不是同时失效的。每台EUV光刻机的成本超过1亿美元，因此如果每台机器离线一小时，芯片制造商就会损失数千美元。
这里对计算光刻的描述借鉴吉姆·凯勒，《摩尔定律没有死》（Moore's Law Is Not Dead），加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学系活动，YouTube视频，2019年9月18日，https://www.youtube.com/watch?v=oIG9ztQw2Gc。 EUV光刻机之所以能够工作，部分原因归功于软件。例如，阿斯麦使用预测性维护算法来预计部件何时需要在损坏之前更换。阿斯麦还使用一种叫作计算光刻的软件来更精确地打印图案。光与光刻胶产生化学反应的原子级不可预测性给EUV带来了新的问题，而这在更大波长的光刻技术中几乎不存在。为了调整光线折射方式的异常，阿斯麦的工具以不同于芯片制造商希望印在芯片上的图案投射光线。要想形成图形“X”，阿斯麦需要使用形状非常不同的图案，但当光到达硅晶圆后，最终会产生“X”。
作为最终产品，芯片之所以能够可靠地工作，是因为它只有一个部件——一块覆盖着其他金属的硅。芯片中没有运动部件，除非你算上芯片内部运动的电子。但生产先进的半导体依赖于一些迄今为止最复杂的机器。阿斯麦的EUV光刻机是历史上最昂贵的大规模生产机器，其复杂程度非常高。如果没有阿斯麦工作人员的充分培训，其他公司就不可能使用阿斯麦的EUV光刻机，阿斯麦的工作人员在设备的整个使用寿命期间都会留在现场。每个EUV光刻机的侧面都有一个阿斯麦徽标。但阿斯麦欣然承认，阿斯麦的专长是能够协调一个由光学专家、软件设计师、激光公司和许多其他人组成的网络，这些人的能力是实现EUV光刻机梦想所必需的。
《通快通过激光交易整合EUV光刻供应链》（Trumpf Consolidates EUV Lithography Supply Chain with Access Laser Deal），2017年10月4日，https://optics.org/news/8/10/6。 正如格鲁夫在生命的最后几年那样，人们很容易对制造业的离岸外包感到惋惜。荷兰公司阿斯麦将美国国家实验室率先开发的一项技术商业化，该技术主要由英特尔提供资金。如果人们知道光刻或EUV光刻技术的历史，这无疑会激怒美国的经济民族主义者。但阿斯麦的EUV光刻工具并不是真正的荷兰式工具，尽管它们主要在荷兰组装，其关键部件来自加利福尼亚州的西盟，以及德国的蔡司和通快，甚至这些德国公司也依赖美国生产的关键设备。 问题是，与其说一个国家能够对这些神奇的工具感到自豪，不如说它们是许多国家的产物。一个有几十万个零件的工具有很多“父亲”。
格鲁夫问过约翰·卡拉瑟斯一个问题：“它能行吗？”然后，格鲁夫将他的第一笔2亿美元投资于EUV光刻机。经过30年的时间、累积数百亿美元的投资、一系列的技术创新，以及世界上最复杂的供应链的建立，到2015年左右，阿斯麦的EUV光刻机终于准备好部署到世界上最先进的芯片制造厂。