从极紫外光刻（EUV）技术看新兴技术的发展

2022年全球半导体产业的市场规模约为6000亿美元，分析师预计2030年可以超过一万亿美元。半导体技术自20世纪60年代至今，一直遵守着“摩尔定律”的约束。不断涌现的技术创新推动了半导体制造水平日益精进，其中极紫外光刻（EUV）技术占据了极为重要的地位。

极紫外光刻（EUV）技术作为过去十年间最重要的新兴技术，由美国政府实验室率先研究、由英特尔持续资助研发，最终由一家荷兰公司垄断并首先卖给了英特尔的竞争对手。这是一个如何曲折离奇的故事？

光刻技术

光刻是使用感光化学品在硅晶片上印制电路的过程。光线通过掩膜的过滤，将掩膜上的电路图案投射到覆盖着感光化学品（光刻胶）的晶圆上。光线会与晶圆表面的感光材料相互作用，蚀刻出对应的电路图案，重复数十次就能够在晶圆上制作出所需的电路。

随着半导体行业的进步，电路也精细化到纳米级。可见光波长已经超过了电路图案的宽度，半导体行业引入深紫外（DUV）光刻技术。但业界在上世纪80年代就充分了解深紫外（DUV）光刻技术的局限性，半导体行业为了未来的发展开始探索下一代光刻（NGL）技术。

下一代光刻技术

上个世纪八十年代，业界最看好的下一代光刻技术是X射线光刻（XPL）技术。美国的IBM与日本的NTT都在积极评估X射线光刻（XPL）技术在半导体生产中的应用，但由于该技术中掩膜制造的难题被认为无法解决，后来两家公司都放弃了该技术。

在EUV胜出前，包括X射线光刻在内，半导体行业考虑过下一代光刻技术四种可能的技术路线（如下所示）。完整的光刻系统需要曝光工具、掩膜材料、光刻胶和计量设备，每种技术路线都必须有完整的技术创新。最终还是经济效益决定了哪种技术路线能够胜出，新技术必须要能够有足够的产出吞吐量，并且具有持续数年运行不停机的可靠性。

极紫外光刻技术的诞生

日本NTT公司的Hiroo Kinoshita是极紫外光刻（EUV）技术领域的领军人物。他最早在1984年就考虑将极紫外光刻（EUV）技术应用于半导体制造，但其研究成果最初未受到重视，业界并不认为这种方式可以实现。

同期的美国研究人员也遇到相同的遭遇，AT&T贝尔实验室的员工在1986年向美国政府提出：“X射线激光与多层反射镜配合，可以作为下一代光刻技术”。但美国政府给出了极其负面的反馈，大家普遍认为这种方式并不可靠。

到了1988年，美国能源部（DOE）下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员借鉴了Hiroo Kinoshita的研究成果，提出了首个软X射线投影光刻（SXPL）系统。20世纪90年代初，美国能源部下属另一个国家实验室桑迪亚国家实验室（SNL）与AT&T贝尔实验室合作，实现了首个带有激光等离子体源的SXPL光刻系统。

1993年，业界正式决定统一使用极紫外光刻（EUV）这一术语。使EUV看起来像是深紫外光刻（DUV）技术的延申。

美国早期的努力

1991年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动了先进光刻研究计划。1992年，英特尔宣布将对EUV光刻技术进行两亿美元的研发投入。

美国政府也在1994年启动EUV光刻研究计划，组织劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、桑迪亚国家实验室（SNL）、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）与AT&T贝尔实验室进行研究，美国能源部提供资金投入并联合美国国防高级研究计划局（DARPA）组成技术顾问小组。

日本早期的努力

日本方面由NTT牵头进行研发，日立与尼康的参与度也在不断提高。日本的半导体行业强势崛起，佳能和尼康在20世纪90年代引领全球光刻机销售。佳能对X射线光刻（XPL）技术进行了巨额投入，尼康则坚持研发电子投影光刻（EPL）技术。

欧洲早期的努力

与此同时，欧洲对EUV光刻技术的研究也在这一时段正式启动。欧洲成立了名为EXULT的研究计划，ASM Lithography（ASML的前身）、FOM原/分子物理研究所、Sopra、Carl Zeiss AG（卡尔蔡司）与代尔夫特理工大学都加入了该计划。值得一提的是，当时美国与日本在半导体行业激烈竞争，双方都视荷兰为中立地带。

美国“国退民进”与三方联盟对垒

早在20世纪90年代中期，半导体行业预计在2005年就必须利用新的光刻技术进行大规模生产。但IBM与AT&T贝尔实验室等对更短波长的DUV技术进行探索，均没有发现有希望能够胜出的技术。

在这个关键节点，美国能源部预算遭到大幅削减，对EUV光刻计划的资助也被迫停止。美国政府停止投入后，英特尔期望由自己提供资金支持来维持美国EUV研发的节奏。所以，1997年由英特尔牵头成立EUV LLC投入2.5亿美元维持了原有的研发团队。

不只是美国，日本和欧洲也相继组建了研发联盟。1998年日本超先进电子技术协会（ASET）启动EUV研究计划、欧洲启动了名为EUCLIDES的EUV研究计划。但与美国不同的，日本和欧洲都是由政府直接为研究提供资金支持。

从1999年开始，每年都会举办一次国际EUV研讨会，研讨会轮流在美国、日本与欧洲举办。EUV LLC确立了初步目标：“在2004年推出可用于生产的光刻技术”。

美国的进展

不仅是英特尔和几个国家实验室，后续摩托罗拉、AMD、美光、IBM等公司也相继加入了EUV LLC。英特尔最初估计每年要投入6000万美元，后续快速膨胀到每年数亿美元，就连英特尔都表示“投入无限的资金在解决一个不可能的问题”。PS：现如今，ASML的年研发开支总额已经达到40亿欧元（约合300亿人民币）的量级。

英特尔当然不是在做慈善，根据合作协议英特尔可以获得EUV LLC产生的所有关联知识产权，而美国能源部保留了免税使用EUV LLC研发出的EUV关联技术到国防应用的权利。

日本的进展

2001年佳能终止了对X射线光刻（XPL）技术的研发，集中力量研发EUV技术路线，而尼康仍在苦苦坚持EUV和EPL的双路战略。

欧洲的进展

欧洲的研究计划EDCLIDES由ASML牵头，与卡尔蔡司、牛津仪器、TNO TPD、荷兰等离子体物理研究所、德国计量研究所PTB、德国Fraunhofer IWS等公司展开合作。ASML在早期就意识到，它需要依靠广泛的供应链合作完成这一复杂技术的突破，而不是期望自己完成所有工作。所以欧洲的研发计划规模相对较小，希望能够用少量资源尽早构建出原型系统。

国际协作VS政治因素

1997年EUV LLC成立时，日本半导体行业已经崛起，美国半导体行业希望能够夺回领先地位。有记者提问时任能源部长如何采取措施确保美国设备制造商可以从计划中受益，避免日本设备制造商继续在光刻技术领先。美国政府在EUV LLC协议中加入了特殊条款，要求参与者必须使用EUV LLC衍生的知识产权来支持美国制造业。

回头来看，美国政府确实阻止了EUV LLC向日本设备制造商授权，这也导致了EUV设备制造领域没有强力的市场竞争。

由于EUV技术的复杂程度和研发规模，有观点认为甚至比火箭制造技术更困难，因此推动国际协作是无可避免的。由于政治原因美国无法与日本进行合作，EUV LLC只能转而寻求与欧洲进行合作。

“十八路诸侯会盟”

1999年，ASML正式加入EUV LLC。极力促成ASML加入EUV LLC的幕后推手就是英特尔，英特尔希望ASML的加入能加快研发的节奏。

但ASML加入EUV LLC也并非一帆风顺，美国政府认为这样做可能导致美国纳税人资助的知识产权被转让给非美国公司。因此，ASML加入EUV LLC时承诺要在美国建设一座与荷兰规模相当的工厂，并且同意在未来商用EUV设备中55%的组件要从美国供应商采购，还会与EUV LLC分享欧洲EUCLIDES研究计划的进展。此后不久，德国英飞凌公司也以1000万美元的代价通过谈判加入EUV LLC。

加入EUV LLC两年后，ASML退出了与美国应用材料公司合资的eLith公司，该公司一直专注于研发EPL技术。但ASML认为EUV更有希望成为最终的赢家，放弃了对EPL的投入，更专注于对EUV的研发。

渐渐掉队的日本

随着“美欧合流”推进EUV的研发，日本只能孤军奋战。2002年，ASET宣布35纳米EUV原型系统成功。同年，日本经济产业省牵头成立极紫外光刻研发协会（EUVA）。协会集全日本之力，包括半导体制造的佳能和尼康、光源制造的KomatsuUshioGigaphoton、设备制造的富士通、NEC、东芝等。大家分工合作，ASET专注于掩膜和光刻胶技术的研发，而EUVA则专注于光学和其他工具的研发。尽管如此，但日本在2003年对EUV的研发实质上已经成为“追赶者”了。

DUV为EUV争取了时间

EUV LLC虽然只运营了六年，但解决了1997年定下的目标，在2004年交付了第一个原型系统。即便如此，此时距离EUV广泛应用还有极大的技术障碍，但毕竟开了个好头。成立于1987年的非盈利联盟SEMATECH，其初衷旨在维持美国半导体行业的领先地位。该联盟在1997年成立了下一代光刻工作组，将XPL、EPL和离子投影光刻技术列为最有可能的候选技术，此时EUV仅仅排在第四位。在EUV LLC走向尽头之时，其衣钵被SEMATECH接过，继续研究EUV技术的商业化。

EUV技术的一再延宕，并没有导致摩尔定律的终结。业界通过技术创新将DUV光刻技术延展到45纳米以下，尽管使用DUV光刻技术制造更先进的电路速度更慢、资源消耗更大、不良率也在抬升，但仍然是为业界“续命”了。根据ASML估计，制造7纳米芯片只需要9个EUV光刻步骤，使用34个DUV光刻步骤也能够完成相同的任务。

“至暗时刻”

原本预计2005年下一代光刻技术就应该大规模应用，但持续的技术障碍无法突破导致部分研究人员认为EUV光刻技术在一波三折后注定会走向失败。在2005年，DARPA也终止了对先进光刻技术的资助，14年里美国政府总计花费了十亿美元也未能等到开花结果的那一刻。

2001年互联网泡沫破裂后，全球半导体销售额大降32%。在这样的半导体寒冬下，英特尔仍然坚持在为EUV的研发提供资金。甚至在2003年购买了尼康公司9000万美元的债券，确保尼康可以加入EUV的行列。

英特尔对EUV技术的押宝，为之计深远。2000年，世界第二大光刻机公司ASML收购世界第四大光刻机公司SVG Lithography，使得ASML一跃成为世界上最大的光刻机供应商。SVG一直在为英特尔提供光刻设备，而英特尔认为SVG最终无法突破EUV光刻技术，在背后推动了ASML收购了SVG。也有说法是，AMSL想借收购SVG拉近与英特尔的关系。可无论怎么说，ASML与英特尔的关系进一步加深。

曙光在2006年初现，ASML将首批EUV原型系统交付比利时大学微电子中心（IMEC）与纽约纳米科学与工程学院（CNSE，现已与奥尔巴尼大学工程与应用科学学院合并为该大学的新学院）。2007年，尼康将首批EUV原型系统交付给英特尔与Selete（一家日本合资企业）。2008年，CNSE利用ASML的原型系统生产出世界上第一批测试芯片。

“千年的媳妇熬成婆”

2001年尼康起诉世界第一大光刻机供应商ASML侵犯专利，三年后ASML与蔡司公司向尼康总计赔偿了超过1.4亿美元达成和解。但尼康投入巨大的EPL技术无法达到与EUV竞争的水平，2005年尼康宣布放弃EPL技术商业化投入。佳能也在苦苦挣扎后，在2009年做出了艰难的决定完全退出了竞争。市场中，只剩下ASML和尼康。

2001年，ASML的光刻机价格为1500万美元到2000万美元间。2010年，ASML的光刻机送到三星手里的价格已经涨到1.2亿美元。不断推高的研发和制造成本让尼康负担越来越大，最终在2011年宣布完全退出EUV光刻机的开发。至此，ASML成为世界上唯一的EUV制造商。

“最后一公里”

当然，ASML走到这一步也付出了巨大代价。巨额的资本投入不仅让尼康吃紧，ASML也陷入周转不开的地步。为了解决资金困境，ASML在2012年启动了“客户共同投资计划”。ASML最重要的客户（英特尔、三星和台积电）将会为其注资超过40亿欧元，支持EUV的进一步研发和扩产。

资金问题解决后，ASML在2012年年底以25亿美元的价格收购总部位于圣地亚哥的光源制造商Cymer，垂直整合供应链加快研究进展。而后在德国激光制造商TRUMPF的帮助下，ASML与Cymer解决了光源上遇到的技术困难。

2013年，ASML正式推出了首个EUV生产设备。直到2019年，三星和台积电才推出对应的产品，EUV光刻技术才在晶圆制造厂大规模生产。

王者的荣光

ASML在光刻市场的崛起和日本公司的衰落同步，目前日本公司在光刻市场的份额大约在10%，ASML独占剩下90%的份额。而在EUV领域，ASML的份额是100%。

极紫外光刻（EUV）对半导体行业来说至关重要，其制造者ASML也已经成为了这一领域的绝对领导者，也只有购买这样的设备才能大规模制造世界上最先进的芯片。

由ASML制造的极紫外光刻（EUV）机重约200吨，整合了超过五千家供应商的十万个零件、三千条电缆、四万个螺栓。这个庞然大物只有15%由ASML自身生产，其余全部依赖世界各地的合作伙伴提供。已知的供应商如下所示：

根据ASML披露的数据，2023年总销售额高达276亿欧元，85%来自亚洲。其供应链采购总支出也达到155亿欧元，其中40%在荷兰、40%在除荷兰外的欧盟其他国家、13%在北美、剩余7%在亚洲。五千家供应商中，荷兰有1600家、除荷兰外的欧盟其他国家有750家、北美1350家、亚洲1400家。

回顾极紫外光刻（EUV）技术发展的时间表与四十年来主要参与者如下所示：

EUV的未来

ASML正在推动将NA从0.33提高到0.55，以此减少多重曝光所需要的步骤。业界期望在2037年，通过持续技术创新将晶体管缩小到0.5纳米。2024年年底前，台积电和英特尔将会接收最新的EUV光刻机（High-NA），价格也攀升到逼近4亿美元。预计ASML在2030年能够研发出更新一代的光刻机（Hyper-NA），其售价将进一步升至超过7亿美元。

美国国家标准与技术研究院（NIST）在2023年与各界人士探讨了EUV的现状与未来，感兴趣可以参看。

全球协作的科学研究

如上所述，ASML的供应链遍布全球，研发的时候也是由全球协作才完成的。Hiroo Kinoshita在著作中介绍了EUV的发展史，列出了早期对EUV技术做出重要贡献的300名研究人员。其中，美国约225名、日本约45名、欧洲约30名。这里面六成研究人员在工业界，三成在政府支持的研究机构，一成在大学中。

1993年，EUV研究步入正轨。2006年，ASML将第一批原型系统交付IMEC和CNSE。这两个时段，有关EUV研究的出版物出现了高峰。

广义来看与EUV有关的研究，相关出版物的数量也在增长。

新兴技术与政府干预

新兴技术是“⼀种相对快速增⻓且具有全新特征的技术，其特点是具有⼀定程度的连贯性，并有可能对社会经济领域产⽣相当⼤的影响”。新兴技术的典型特点和示例技术如下所示：

2006年以来，政策干预对EUV成熟度的影响微乎其微。政策制定者需要在追求战略突破技术和维护国家安全间做出权衡，在推动技术创新和阻碍对手进步上尽量找到最优解。随着技术的成熟，政府和工业界考虑的优先项不可避免地会出现分歧。对于想要发现、保护和推广下一代新兴技术的政策制定者来说，没有放之四海皆准的方案，只有多方考量和权衡下的妥协与折中。

事后来看，美国政府为推动EUV研发作出的最明智的决定就是让此前从事EUV研发的研究人员可以与EUV LLC合作继续研究工作。但不得不说的是EUV LLC能够成立，也是因为英特尔当时有能力、有野心负担这笔高额的开支。除此之外，美国政府一方面阻止了日本公司参与EUV LLC，另一方面通过与ASML达成协议保证了EUV光刻技术中美国制造的比例。尽管这两者在做出决定的时候都没有技术保护的意图，只是迫于政治压力的无心插柳罢了。

SVG出售后，美国不再拥有光刻机制造商。如果美国政府从国家安全的考虑来看，这显然是不安全的。但对于英特尔来说，谁能最快将EUV光刻技术推向市场，谁才更具备价值。只不过当EUV技术准备好时，英特尔自身却陷入了制造工艺的泥潭无法自拔。直到EUV技术在半导体行业大规模应用了五年后的2023年，英特尔才用上它30年前押注的技术。

政府可以在早期通过多种形式干预、推动新技术：保留国家研究机构的研究人员、为研究人员提供必要的资源、支持高风险高回报的研究计划、倡导研究机构的国际合作开放、直接提供资金支持、建立公私合作伙伴关系、推动广泛信息共享等。

此外，对大规模科学研究来说，有“耐心资本”的支持才能取得最好的效果。大概为期五到十年，每年投入2至3亿美元。新加坡淡马锡、挪威主权财富基金，都被认为是较为典型的“耐心资本”。我国政府对此也越来越重视，中共中央政治局会议上提出“要积极发展风险投资，壮大耐心资本”、国务院也印发了“创投十七条”，期望以耐心资本助力新质生产力发展。目前，北京在人工智能、医药健康、机器人、信息产业等领域已设立8只百亿级政府产业投资基金，旨在助力2个万亿级产业集群和8个千亿级产业集群发展。

部分参考资料

https://cset.georgetown.edu/wp-content/uploads/CSET-Tracing-the-Emergence-of-Extreme-Ultraviolet-Lithography.pdfhttps://edge.sitecorecloud.io/asmlnetherlaaea-asmlcom-prd-5369/media/project/asmlcom/asmlcom/asml/files/investors/financial-results/a-results/2023/2023-annual-report-based-on-ifrs-juf6ts.pdfhttps://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=956144