ASML极紫外光刻机：摩尔定律的守护者与微芯片制造的极致工程

Veritasium

总结：

微芯片的制造依赖于数十亿个微小的晶体管，而摩尔定律（即每两年芯片上的晶体管数量翻倍）推动着科技进步。大约在2015年，由于传统光刻技术面临物理极限，摩尔定律的发展停滞不前。拯救这一困境的是荷兰公司ASML开发的极紫外（EUV）光刻机，这被认为是人类有史以来最复杂的商业产品。

这台机器的工程技术令人难以置信：

• 它能以每秒5万个的速度，用激光三次击中只有白血球大小的锡液滴，将其加热至太阳表面温度的40倍。
• 其内部的镜面平滑度达到了前所未有的原子级别，如果放大到地球大小，最大的凸起也不超过扑克牌的厚度。
• 它能将芯片的各层完美对齐，误差不超过五个硅原子，同时部分部件以超过20个重力加速度的速度高速运动。

EUV技术从最初被认为是“不可能”的设想，历经30多年的研发，克服了光源生成、超光滑镜面制造、污染控制及极高精度的定位和对准等挑战。ASML通过创新的两步激光击打锡液滴方式以及独特的氢气和氧气清洁系统，最终实现了EUV技术的商业化。ASML的EUV光刻机是制造最先进芯片的关键，使其成为全球最重要的科技公司之一。

拯救摩尔定律的机器 [0:00]

微芯片与晶体管 [0:00]

• 微芯片是纳米级的计算城市，拥有数百层高楼和数百公里长的连接线。

  

• 最底层是数十亿个晶体管，它们是计算机的“1”和“0”。

  

• 芯片通过电子在晶体管之间快速移动来工作。
  • 晶体管越小，信号传输距离越短，计算速度越快 [0:24]。
  • 相同面积内可容纳更多晶体管，从而实现更强大的芯片 [0:29]。
• 摩尔定律：50多年来，晶体管不断缩小，芯片上可容纳的晶体管数量大约每两年翻一番 [0:35]。
  • 该定律由英特尔联合创始人戈登·摩尔于1965年提出，是科技产业的主要驱动力之一 [0:42]。

    

  • 然而，大约在2015年，这一进展戛然而止，可能永远无法超越 [0:52]。

    

不可能实现的机器 [0:58]

• 拯救摩尔定律的机器是由一家公司制造的 [0:58]。

  

  • 这台机器是人类有史以来制造的最复杂的商业产品，耗资高达4亿美元 [1:06]。

    

• 该机器的惊人能力：
  • 精确性：它能以每秒5万个的速度，用激光连续三次击中一个微小的熔融锡液滴，整个过程在20微秒内完成 [1:41]。

    

  • 极端温度：每次击中将液滴加热到超过22万开尔文，大约是太阳表面温度的40倍 [1:51]。

    

  • 镜面平滑度：其内部的镜面是宇宙中最光滑的物体之一。如果将一面镜子放大到地球大小，最大的凸起也不超过一张扑克牌的厚度 [2:15, 2:21]。

    

  • 层对准精度：能够将芯片的各层完美叠加，误差不超过五个原子 [2:27]。

    

  • 运动速度：机器的某些部件以超过20个重力加速度的速度高速运动 [2:35]。

    

  • 普遍质疑：30年来，几乎所有人都认为建造这台机器是不可能完成的任务 [2:40]。

    

微芯片是如何制造的？ [3:12]

晶圆生产 [3:13]

• 初始材料：从沙子中提取二氧化硅，并将其提纯成近100%纯度的硅块 [3:14]。

  

• 熔炼与晶体生长：在专用熔炉中熔化硅块，然后将一个小的籽晶浸入熔体中 [3:22]。

  

  • 硅原子附着在籽晶上，延伸其结构 [3:28]。

    

  • 缓慢提升并旋转籽晶，形成一根大的单晶硅锭 [3:32]。

    

• 晶圆切割与抛光：将硅锭用金刚石线锯切割成晶圆（最多5000片），然后对每片晶圆进行仔细抛光 [3:56, 4:02]。

  

光刻工艺 [4:05]

• 涂覆光刻胶：在晶圆表面涂覆一层光敏材料，称为光刻胶 [4:05]。

  

  • 在正性光刻胶中，曝光区域变得更脆弱、更易溶解 [4:09]。
• 曝光与显影：通过图案化的掩膜照射光线，选择性地削弱光刻胶涂层 [4:15]。
  • 用碱性溶液冲洗晶圆，洗去曝光的光刻胶，留下所需的设计图案 [4:20]。

    

• 刻蚀与沉积：通过化学品或等离子体刻蚀未覆盖的硅，然后沉积铜等金属填充刻蚀的线条 [4:31, 4:36]。

  

• 完成单层：最后，洗去剩余的光刻胶，完成芯片的单层制造 [4:41]。
  • 这一“涂覆、曝光、刻蚀和沉积”的循环会为芯片的每一层重复 [4:48]。
  • 根据芯片类型，可能需要10到100层。底层是晶体管，高层是传输信号和电力的金属线 [4:55, 5:09]。

    

  • 整个晶圆完成后，会被切割成独立的芯片，封装并投入产品使用 [5:12]。

    

微型化的挑战 [5:20]

• 光刻是决定特征尺寸的关键一步 [5:20]。
• 衍射问题：当掩膜的间隙接近光的波长时，光线会发生衍射，导致图案失真 [5:39]。

  

• 瑞利方程：决定最小特征尺寸（或临界尺寸，CD）的公式 [8:26]。

  

  • CD = k1 * λ / NA
  • CD（临界尺寸）是最小特征尺寸。
  • k1是工艺相关常数。
  • λ（lambda）是光波长。
  • NA（数值孔径）是透镜的尺寸（角度的sin值）。
• 缩小特征尺寸的方法：
  • 增加数值孔径（NA）：NA越大，可以捕获的光线越多，打印的特征就越小 [7:28]。然而，NA存在硬性限制，最大值接近1，此时透镜系统将是无限大的 [7:40, 7:49]。
  • 使用更短的波长（λ）：波长越短，衍射效应越小，可以在相同的透镜下打印更小的图案 [8:21]。

    

• 历史发展：到20世纪90年代末，行业采用193纳米的深紫外（DUV）光，直到2015年左右，科学家们达到了特征尺寸的极限 [8:48, 8:58]。

  

什么是极紫外光刻技术？ [9:11]

EUV的起源 [9:14]

• 弘尾木下（Hiroo Kinoshita）的设想：20世纪80年代，日本科学家弘尾木下提出了使用更短波长（如约10纳米的X射线）来打印更小特征的疯狂想法 [9:16, 9:20]。

  

• 最初的问题：
  • X射线在这些波长下能量足够高，会从原子中弹出电子，因此大多数材料会吸收它们 [9:30]。
  • 这些X射线波长也足够长，会与空气相互作用，所以空气也会吸收它们 [9:42, 9:44]。

    

  • 这意味着设备必须在真空中运行，而且无法使用传统透镜来聚焦光线，因为透镜也会吸收X射线 [9:47, 9:51]。

多层反射镜 [10:01]

• 转机：大约在1983年，木下偶然发现吉姆·安德伍德（Jim Underwood）和特洛伊·巴比（Troy Barbee）的一篇论文，该论文重点介绍了可以反射4.48纳米X射线的特殊镜子 [10:02, 10:06]。

  

• 原理：
  • 当光线从一种介质进入另一种介质时（例如从空气到玻璃），它会发生折射，部分光线会被反射 [10:27]。反射量取决于角度、光的偏振以及两种介质折射率的差异，差异越大，反射的光越多 [10:36, 10:45]。

    

  • 安德伍德和巴比利用这一原理，制作了厚度不到1纳米的超薄钨层，X射线可以穿过而不被立即吸收 [10:51]。
  • 当X射线以特定角度入射时，钨层反射率不到1%。他们精确调整层厚度，使透射X射线的路径长度仅为波长的四分之一 [10:59, 11:04]。
  • 然后，他们添加了碳层（对4.48纳米波长有更高的折射率），X射线在边界处发生反射，相位反转（改变半个波长） [11:12, 11:24]。

    

  • 巧妙之处：当新反射波到达钨层边界时，它又行进了四分之一波长，总共半个波长，使两个波的相位对齐，从而产生相长干涉 [11:33, 11:41]。
  • 他们总共使用了76层交替层，使得X射线反射量大大增加 [11:45]。虽然反射率只有约6%，但这证明了反射X射线的可行性 [11:55, 11:57]。

    

• 木下的突破：木下看到了可能性，在两年左右的时间里，他的团队设计并制造了三面钨碳弯曲多层反射镜，成功反射了11纳米的光 [12:03, 12:08]。

  

  • 他成功打印出4微米（4000纳米）厚的线条，证明了X射线光刻理论上是可行的 [12:14]。

    

• 质疑与否定：1986年，木下在日本应用物理学会上展示他的发现时，听众拒绝相信，认为这是一个“天方夜谭” [12:27, 12:46]。

  

X射线光刻的挑战 [13:05]

• 光源问题：
  • 这种光并非地球上自然产生。最接近的自然来源是太阳 [13:05, 13:07]。
  • 大多数科学家（包括木下）使用粒子加速器或同步辐射来产生X射线光 [13:17, 13:19]。

    

  • 同步辐射非常强大，但一个光刻机就需要一个光源，而同步辐射设施像足球场一样大，不适合商业应用 [13:23, 13:25, 13:28, 13:31]。

    

• 镜面平滑度问题：
  • 为了聚焦和打印微小特征，需要制造极其平滑的镜子，达到原子级平滑度 [13:37, 14:47]。
  • 普通家用镜子的平均凸起高度约为4000个硅原子 [14:28]。
  • 木下的镜子不仅需要反射波长短100倍的X射线，还需要最大限度地减少散射，确保所有光子都能到达晶圆 [14:36, 14:42]。
  • 要求平均凸起高度仅为约2.3个硅原子 [14:49]。如果一面镜子有德国那么大，最大的凸起也只有大约一毫米高 [14:54]。

    

核聚变助力 [15:04]

美国政府的参与 [15:08]

• 劳伦斯·利弗莫尔国家实验室：位于旧金山以东约70公里处，是冷战时期美国政府为核武器目的而资助的实验室 [15:08, 15:15]。

  

  • 该实验室由回旋加速器发明者欧内斯特·劳伦斯和氢弹之父爱德华·泰勒创立 [15:22, 15:26]。

    

  • 他们的研究重点之一是核聚变反应内部的发生过程，因为聚变反应会释放大量X射线光，而他们从未能捕获和分析这些光 [15:33, 15:38]。
  • 多层反射镜为捕获和分析这些X射线提供了可能 [15:44]。
• 安德鲁·霍里卢克（Andrew Hawryluk）：负责这项工作的科学家之一 [15:49]。

  

  • 几年内，他和团队利用多层反射镜反射了一些X射线光 [15:53]。

    

  • 1987年，一位康奈尔大学的教授质疑这些技术是否“有用” [16:04, 16:14]。
  • 霍里卢克在圣诞节假期期间，撰写了一份白皮书，将这些镜子应用于光刻技术，以X射线打印芯片 [16:22, 16:31, 16:33]。

    

• 再次被嘲笑：五个月后，霍里卢克在一次会议上展示了他的发现，但与木下一样，他受到了极其负面的回应，甚至被嘲笑下台 [16:35, 16:44, 16:49, 17:00]。

  

• 贝尔实验室的介入：三天后，霍里卢克接到贝尔实验室高管比尔·布林克曼的电话，邀请他去新泽西演讲 [17:18, 17:29, 17:35, 17:37]。
• 技术转移：到20世纪80年代末，冷战放缓，美国政府鼓励国家实验室与美国公司合作，将商业潜力研究转化为产品，以刺激经济，并提供启动资金 [18:02, 18:09, 18:17]。

  

• 极紫外光刻（EUV）：贝尔实验室与霍里卢克的实验室及其他机构合作，继续开发X射线光刻技术 [18:20, 18:23]。

  

  • 1993年，首次X射线光刻国际会议在日本举行，该技术被重新命名为“极紫外光刻”（EUV） [18:27, 18:46, 18:48]。

    

EUV发展里程碑 [18:53]

• 资金中断与私营投资：1996年，美国政府削减了该项目的资金。这对于英特尔等大型芯片公司来说是灾难性的 [18:53, 18:55, 18:58]。

  

  • 业界估计，193纳米光刻工具到2005年将落后于摩尔定律，但没有其他替代方案 [19:02, 19:03, 19:09]。
  • 英特尔、摩托罗拉、AMD及其他公司联合投资了2.5亿美元，这是私营产业对美国能源部研究项目有史以来最大的一笔投资 [19:13, 19:16, 19:19, 19:21]。

    

• 工程测试台（ETS）：到2000年，实验室成功制造出工程测试台，这是第一个功能齐全的EUV原型机 [19:26, 19:28, 19:30]。

  

  • 它产生了9.8瓦的13.4纳米EUV光，并通过八面镜子从光源、掩膜到晶圆反射 [19:33, 19:38, 19:40]。

    

  • 能够打印70纳米的特征，证明了EUV的可行性 [19:42, 19:44]。

    

• 生产效率问题：ETS的主要缺陷是每小时只能打印约10片晶圆 [20:05, 20:07]。

  

  • 为了使EUV在经济上可行，需要每小时打印数百片晶圆，并24/7不间断运行 [20:10, 20:12, 20:15]。
• 光损失：光线经过八面镜子和掩膜（也是一面镜子，上面刻有设计）的反射，每次反射都会损失一部分光 [20:20, 20:23]。

  

  • 每面镜子的反射率约为70%，经过九次反射后，只剩下4%的光线到达晶圆 [20:33, 20:39, 20:42]。

    

  • 减少镜子数量并不能完全解决问题，因为任何光学系统在聚焦光线时都会产生畸变，需要多面镜子来校正球差和其他像差 [20:50, 20:53, 21:06, 21:07]。

    

  • 今天的系统有六面镜子，但经过反射后，仍仅剩约8%的光线 [21:20, 21:25, 21:29]。
• 光源功率需求：因此，需要大幅提高光源功率，至少达到100瓦 [21:32, 21:34]。

  

  • 大多数公司认为将功率提高十倍是不可能的 [21:36, 21:38]。
• 美国公司退出：鉴于EUV技术的巨大工程挑战，美国公司相继放弃了开发完整的EUV光刻机 [21:52, 21:54, 21:56]。

  

ASML如何征服芯片世界 [21:59]

ASML的崛起 [22:03]

• 仅剩ASML：只剩下荷兰的ASML公司 [21:59]。

  

  • ASML是飞利浦在20世纪80年代分拆出来的公司，最初只有一间简陋的棚屋和一台勉强能用的晶圆步进机 [22:10, 22:12, 22:13]。

    

• 关键人物与合作：
  • 约斯·本肖普（Jos Benschop）：ASML的第一位研究员 [22:18]。

    

  • 马丁·范登布林克（Martin van den Brink）：最终成为ASML的首席技术官，也是EUV最伟大的支持者，他预见了EUV的未来 [22:21, 22:25, 22:27, 22:30]。

    

  • ASML加入了美国EUV联盟，并与德国合作伙伴蔡司（Zeiss）合作 [22:32, 22:39]。蔡司负责镜子，ASML专注于光源 [22:42, 22:43]。

    

镜面材料选择 [22:47]

• 波长选择：在早期的开发中，探索了5到14纳米之间的所有波长 [22:52, 22:54]。

  

  • 需要找到既能产生特定波长，又能反射这些波长的光源和光学器件 [22:57, 23:00]。
• 材料对比：
  • 钨-碳（W-C）组合：能反射约4纳米的光，但最大反射率仅为20% [23:05, 23:07, 23:14]。经过六面镜子和掩膜的反射后，只剩下0.00128%的光，效率太低 [23:18, 23:21, 23:26]。

    

  • 硅-钼（Si-Mo）组合：理论最大反射率为70%，适用于约13纳米波长 [23:32, 23:34, 23:37]。
  • 钼-铍（Mo-Be）组合：理论最大反射率为80%，适用于约11纳米波长 [23:40, 23:42, 23:46]。
  • 最终选择：钼-铍虽然反射率更高、波长更短，但铍具有剧毒且难以处理 [23:53, 23:57, 23:59]。因此，科学家们转而专注于硅-钼组合 [23:59, 24:03]。

    

• 镜面制造：蔡司采用溅射工艺制造镜子 [24:03, 24:07]。
  • 溅射过程：用等离子体或离子轰击涂层材料靶，使原子喷射并附着在镜子上 [24:07, 24:09, 24:11]。

    

  • 挑战：这是一个混乱的过程，导致层表面出现凹凸不平 [24:15, 24:17]。
  • 解决方案：荷兰团队通过离子束技术对其进行了完善，使原子“落入”所需位置，最终实现镜面的平坦化 [24:20, 24:22, 24:26, 24:28, 24:31]。

光源开发 [24:32]

• EUV光源生成方式：共有三种主要方式来在地球上“建造太阳” [24:45, 24:48]。
• 等离子体生成光原理：当电子与离子复合时，离子会降至较低的能级，并将多余的能量以光子形式释放 [25:02, 25:04, 25:07]。如果选择合适的离子，光子将具有所需波长 [25:10, 25:12]。

  

• 放电等离子体（DPP）：
  • 原理：加热金属形成金属蒸气，然后施加强电场 [25:19, 25:20, 25:22]。自由电子撞击原子并使其电离 [25:26, 25:28]。关闭电场后，电子与离子复合产生光 [25:30, 25:32]。

    

  • 进展：由于相对简单，ASML最初使用这种方法，很快达到了几瓦的功率 [25:39, 25:41, 25:43]。

    

  • 局限：但难以扩展到100瓦的目标 [25:46, 25:49, 25:51]。
• 激光等离子体（LPP）：
  • 原理：使用高功率激光击中目标材料，产生超过22万摄氏度的等离子体 [25:54, 25:56, 25:58, 26:01]。

    

  • 能量：电子能量巨大，原子核无法 удержи它们，多达14个电子脱离轨道 [26:04, 26:06, 26:09]。

    

  • 发光：激光关闭后，电子和离子复合产生光 [26:12, 26:14]。
  • 可扩展性：LPP是唯一看起来可扩展的方法 [26:17, 26:19]。ETS也使用了相同的方法，用1700瓦激光射击氙气流，产生13.4纳米光 [26:23, 26:25, 26:26, 26:30]。

    

• 锡的引入：
  • 氙气的缺点：转换效率极低（约0.5%），因为氙气在13-14纳米波长范围发射的光很少，而更多光在11纳米左右释放 [26:34, 26:36, 26:38, 26:40, 26:42, 26:45, 26:47, 26:49]。此外，未电离的氙原子会强烈重新吸收13.4纳米的光 [26:57, 26:59, 27:01]。

    

  • 锡的优势：ASML开始研究锡。锡在约13.5纳米处有更高的发射峰，转换效率比氙气高5到10倍 [27:06, 27:10, 27:12, 27:14, 27:17]。
• 锡液滴挑战：与氙气一样，中性锡原子也会吸收EUV光 [27:19, 27:21]。
  • 疯狂的想法：一次只发射一个微小的锡液滴 [27:22, 27:25]。
  • 功率需求：要达到所需功率，每秒必须制造并击中数千个液滴，且所有液滴必须形状和大小完全相同 [27:29, 27:30, 27:34]。
  • 液滴制造工艺：熔化的超纯锡通过微型喷嘴在高压氮气下射出 [27:46, 27:49, 27:51]。喷嘴高频振动，将水流分解成微小液滴 [27:53, 27:55]。

    

  • 挑战：这些液滴最初大小、形状、速度和间距都不规则，整个过程是混沌的 [27:58, 28:01, 28:02, 28:04]。

    

  • 突破：ASML掌握了锡射流的调制技术，使其能够形成稳定且完美的液滴 [28:06, 28:10, 28:42, 28:46, 28:49, 29:07, 29:12]。不规则液滴在被激光击中前会聚成完美间隔、规则的液滴，它们大小、形状相同，速度也一致 [28:20, 28:23, 28:26, 28:27, 28:29, 28:32, 28:33, 28:36]。

    

• 生产力瓶颈：到2011年，LPP光源达到了11瓦，是之前光源的两倍多 [29:39, 29:42, 29:44, 29:46]。但每小时仍只能打印5片晶圆 [29:47]。ASML承诺到2011年底达到每小时60片晶圆 [29:54, 29:56]。

  

克服污染和高温 [29:59]

• 锡污染问题：新的LPP方法存在一个主要缺陷。击中液滴产生EUV后，锡的去向是问题 [29:59, 30:02, 30:05]。30厘米外就是蔡司制造的原子级平滑、昂贵的反射镜 [30:10, 30:13, 30:15, 30:18]。早期的机器很快就会被锡覆盖 [30:19, 30:21]。

  

  • 要求：机器需要运行一年，收集镜必须保持几乎完美的清洁 [30:25, 30:26, 30:31, 30:33, 30:35, 30:37, 30:42]。
• 氢气清洁：
  • 解决方案：在腔室中注入低压氢气 [30:43, 30:47, 30:48]。
  • 作用：氢气能减缓并冷却锡粒子 [30:50]。即使有锡沉积到收集镜上，氢气也能将其分离，形成锡烷气体 [30:52, 30:55]。这样，机器在运行过程中可以自我清洁收集镜 [30:59, 31:01]。

    

  • 挑战：氢气也会因锡爆炸而变热，因此需要不断冲入新的、更冷的氢气，同时排出锡烷和热气体 [31:02, 31:04, 31:06, 31:09]。氢气的压力和流速必须精确控制 [31:13, 31:15]。氢气太少会导致镜子变脏，太多则会吸收过多EUV光并导致系统过热 [31:16, 31:17, 31:19, 31:21, 31:23]。
• 等离子体冲击波：
  • EUV光源的等离子体事件会产生冲击波，就像微型超新星一样 [31:46, 31:49, 31:51, 32:17]。

    

  • 泰勒-冯·诺伊曼-塞多夫公式可以准确描述这种点源爆炸在环境中的能量沉积，范围从核爆炸到超新星 [32:00, 32:02, 32:06, 32:07, 32:12, 32:14]。

    

  • 根据能量计算，需要以每小时约360公里的速度冲洗氢气，这超过了五级飓风的速度（尽管是在低密度下） [32:49, 32:51, 32:52, 32:54, 32:57, 32:59]。

    

• 镜面变形与控制：到2013年，ASML的功率达到了50瓦，但功率增加意味着更多热量，导致镜面轻微偏移，从而造成光线失准和芯片层错位 [33:06, 33:10, 33:13, 33:15, 33:18, 33:21]。

  

  • 蔡司开发了集成到光学系统中的“神经系统”：机器人引导的传感器持续测量每个镜子的精确位置和角度，精度达到纳米级和皮弧度 [33:25, 33:27, 33:29, 33:31, 33:34, 33:37]。

    

  • 举例：控制镜子的精确度，就像在20万英里外月球上的一枚硬币上，能够精确瞄准硬币的任一侧 [33:39, 33:42, 33:45, 33:51, 33:53, 33:56, 33:58, 34:01, 34:04, 34:07, 34:09, 34:10]。这种皮弧度的指向精度是极其极端的 [34:12, 34:16, 34:19]。

    

  • 这使得他们即使在功率增加时也能控制光线 [34:22, 34:23]。

战略投资与突破 [34:31]

• 持续的功率挑战：蔡司在光学方面做得出色，但ASML仍在为光源功率而挣扎 [34:26, 34:28, 34:31]。
  • 问题在于锡液滴太密集，大部分发射的EUV光在到达收集镜之前仍被中性原子重新吸收 [34:31, 34:34, 34:37, 34:39, 34:41, 34:42]。
• 超前投资：尽管EUV光刻机尚未成功，ASML决定加倍投入，投资下一代机器——高NA EUV机，该机器拥有更大的光学系统，可以打印更小的特征 [34:48, 34:51, 34:53, 34:55, 34:58, 35:02, 35:04, 35:06]。

  

  • 当时，EUV尚未奏效，有人认为研究下一代机器是“疯狂的” [35:08, 35:11, 35:14, 35:17, 35:19, 35:22, 35:23, 35:25, 35:27, 35:29]。
• 客户投资：为了资助开发，ASML向其主要客户寻求资金 [35:31, 35:33, 35:35, 35:37, 35:39, 35:41, 35:44, 35:46, 35:48]。
  • 英特尔投资约41亿美元，三星和台积电共投资13亿美元 [35:52, 35:55, 35:58]。

    

  • 客户耐心耗尽：到2012-2013年，客户的耐心已经所剩无几，ASML在每次会议上都面临严厉批评 [36:04, 36:06, 36:09, 36:11, 36:13, 36:14, 36:16, 36:17, 36:18, 36:20, 36:22, 36:27, 36:29]。
  • 奇迹：约斯·本肖普回忆起2012或2013年，他们正努力提升EUV功率时，木下拜访了他们。他们一起去了一家小教堂，木下为三家追求EUV技术的供应商点了三根蜡烛，此后功率显著上升，虽然并非因果关系，但相关性很强 [36:27, 36:31, 36:33, 36:37, 36:39, 36:41, 36:43, 36:44, 36:49, 36:52, 36:53, 36:56, 36:58, 37:03, 37:07]。

    

• 双脉冲突破：
  • 核心思路：不再只击打液滴一次，而是两次 [37:07, 37:10]。
  • 过程：第一次激光击打液滴，使其膨胀成“薄饼”形状 [37:11, 37:14, 37:16]。然后，第二次更强大的主脉冲蒸发这个薄饼，将其转化为等离子体 [37:18, 37:19, 37:21, 37:23, 37:25, 37:26]。

    

  • 影响：这一重大突破改变了激光汽化目标从液滴到薄饼，增加了激光汽化的表面积，同时没有增加碎片或中性原子，因为锡现在是一次性全部汽化 [37:27, 37:28, 37:30, 37:33, 37:37]。
• 功率提升与新目标：
  • 100瓦里程碑：到2014年，他们终于达到了梦寐以求的100瓦功率 [37:40, 37:43]。
  • 移动的“龙门”：然而，193纳米多重图案化技术的进步意味着EUV只有在光源达到至少200瓦且每小时处理125片晶圆时才有用 [37:45, 37:47, 37:49, 37:51, 37:54]。业界没有人会等待，他们会寻找其他解决方案，ASML必须追赶，目标不断变化 [37:56, 37:58, 38:01, 38:03, 38:05]。

    

  • 精确瞄准：完美同步激光以击中每个液滴是一个问题 [38:07, 38:09]。这就像高尔夫球手每次都能将球精确地击入200米外的高尔夫球洞 [38:12, 38:14, 38:18, 38:20, 38:21, 38:23, 38:25]。液滴以极高的速度穿过氢气流的“漩涡”，如同在龙卷风中击打高尔夫球 [38:26, 38:28, 38:30, 38:32, 38:34]。

    

  • 液滴跟踪：通过激光光幕跟踪液滴，根据散射的光子确定液滴何时何地出现，从而精确控制激光发射时间，甚至需要考虑光脉冲击中液滴所需的时间 [38:38, 38:41, 38:44, 38:46, 38:50, 38:51, 38:53, 38:54, 38:57]。
  • 200瓦里程碑：到2015年，他们越来越接近200瓦的目标 [38:59, 39:01, 39:03]。

    

  • 关键时刻：2015年，ASML董事会成员被召集到韩国，客户要求展示200瓦功率，他们对此感到非常厌倦，声称“要么现在展示，要么就滚蛋” [39:05, 39:09, 39:12, 39:15, 39:16, 39:19, 39:22]。当董事会成员登机时，实验仍在进行；当他们下机时，第一个200瓦的实验结果成功展示 [39:26, 39:28, 39:31, 39:32, 39:34]。

最后的障碍与商业化 [39:36]

• 收集镜保护：尽管氢气保护收集镜免受碎片影响，但并非完美。所有高强度、高能量的光子和氢离子会加速收集镜上特殊顶层涂层的劣化 [39:36, 39:38, 39:41, 39:44, 39:46, 39:48, 39:49, 39:51, 39:54]。

  

  • 最初：每10小时就必须清洁一次镜子，这严重影响生产力 [39:57, 40:01]。
• 氧气清洁解决方案：一位工程师注意到，每次打开机器时，镜子都会变得更清洁 [40:07, 40:09, 40:11, 40:14]。

  

  • 发现：氧气进入系统解决了问题 [40:16, 40:18, 40:20, 40:22]。

    

  • 实验：他们开始尝试在真空中添加适量氧气，以使收集镜保持更长时间的清洁 [40:22, 40:24, 40:27, 40:31, 40:33, 40:36, 40:39, 40:41]。
• 商业成功：通过这一改进，ASML的机器可以连续运行更长时间，最终实现了商业可行性 [40:43, 40:45, 40:48]。

  

  • 到2016年，订单开始涌入 [40:50, 40:51]。

    

  • 现在，所有最先进的芯片都需要ASML的机器，这使其成为全球最重要的科技公司之一 [40:53, 40:55, 40:56, 40:59]。

    

走进ASML [41:25]

低NA与高NA机器 [41:01]

• 低NA机器：ASML的第一批商用机器具有0.33的数值孔径（NA），可打印13纳米线条 [41:01, 41:03, 41:05]。这些低NA机器仍在生产 [41:08, 41:10]。

  

• 高NA机器：扬（Jan）的团队在2012年开始研发下一代机器，它拥有更大的光学系统，可以打印更小的特征 [41:11, 41:14, 41:17, 41:19]。

  

  • 这是具有0.55数值孔径的高NA机器 [41:21, 41:23, 41:25]。

    

高NA机器细节 [41:29]

• 成本：每台机器售价超过3.5亿欧元 [41:30, 41:32]。

  

• 洁净室环境：ASML的机器在极其严格的洁净室中建造 [41:47, 41:49]。

  

  • 洁净度标准：每立方米空气中，直径0.1微米以上的颗粒不得超过10个 [41:51, 41:53, 41:55]。作为对比，花粉颗粒约为20微米，极细的沙子约为10微米 [41:57, 41:59, 42:02]。医院手术室（需要极其清洁）每立方米最多允许1万个直径0.1微米的颗粒 [42:04, 42:05, 42:07, 42:11]。

    

  • 进入洁净室需要经过严格的空气淋浴以去除所有微粒 [42:21, 42:24, 42:27, 42:30, 42:32]。

    

  • 高NA机器是ASML的最新版本，已经打印出8纳米的线条 [43:10, 43:17, 43:20]。

    

• 激光系统：
  • 功率：一个几瓦的二氧化碳激光器进入放大器，反弹后功率达到原始的五倍左右 [43:58, 44:01, 44:03, 44:06]。

    

  • 级联放大：它会经过总共四个不同的放大器，最终激光功率达到2万瓦，比切割钢材的激光器强四倍 [44:06, 44:09, 44:12, 44:15]。

    

  • 传输：激光束通过光束传输系统被引导到机器中 [44:22, 44:23, 44:26]。

    

• 光源模块：
  • 复杂的内部：光源模块看起来像一个变形金刚或宇宙飞船，里面有无数的电线 [44:37, 44:38, 44:41]。

    

  • 锡液滴击打：锡液滴从左侧进入，激光从前方射出击中液滴 [45:22, 45:24, 45:25, 45:27, 45:29]。

    

  • 三脉冲技术：
    1. 第一个预脉冲使液滴变平，形成薄饼状 [45:41, 45:43]。

       

    2. 第二个预脉冲进一步降低液滴密度，使其稀化为低密度气体 [45:45, 45:47, 45:49, 45:51]。
    3. 最终的主脉冲使所有物质电离，产生更多EUV光 [45:53, 45:57, 46:00]。

       

  • 生产力提升：为了获得更多光线，只能击中更多液滴 [46:03, 46:04, 46:05]。目前最新的EUV光源功率约为500瓦，每秒击中6万个液滴，未来路线图将达到每秒10万个液滴，实验室已成功演示 [46:09, 46:11, 46:12, 46:15, 46:18, 46:20, 46:22, 46:24, 46:26]。
• 投射光学系统：
  • 光路：EUV光从收集镜反射后，进入照明器 [46:58, 47:00]。一系列镜子对光线进行整形和聚焦，然后击中掩膜 [47:02, 47:05]。

    

  • 掩膜：掩膜是上半部分，在一个独立的设施中建造，稍后安装 [47:06, 47:08, 47:10]。

    

  • 投射光学箱：光线进入投射光学箱，其中一组镜子将图案缩小 [47:11, 47:14]。高NA机器在垂直方向上将图案缩小8倍，在水平方向上缩小4倍 [47:17, 47:19, 47:21]。

    

  • 镜面精度：高NA镜面比低NA镜面更加光滑。如果低NA镜面有德国那么大，最大的凸起约为一毫米；而高NA镜面如果像地球那么大，最大的凸起也只有扑克牌的厚度 [47:24, 47:26, 47:28, 47:31, 47:33, 47:34]。

    

  • 成果：通过这些改进的结合，ASML将数值孔径从0.33提高到0.55 [47:36, 47:39, 47:41]。

    

• 晶圆工作台：最终，光线击中晶圆 [47:45]。

  

  • 运动速度与精度：为了每小时打印约185片晶圆 [47:47, 47:51]，掩膜以超过20个重力加速度的速度来回高速运动，这比F1赛车的加速度快五倍 [47:52, 47:55, 47:57]。

    

  • 叠层精度：任何两层芯片之间的最大偏差（叠层）为1纳米，即5个硅原子的精度 [48:15, 48:18, 48:21]。

    

  • 工程师需要为每个组件分配1纳米总预算中的极小一部分 [48:25, 48:29, 48:30, 48:33, 48:39, 48:40, 48:41, 48:43, 48:44, 48:48, 48:50]。
• 运输：机器组装、测试和批准后，会被拆卸运往世界各地 [49:35, 49:38]。

  

  • 一台高NA机器由5000家公司提供10万个部件，包含3000根电缆、4万个螺栓和2公里长的管道 [49:41, 49:44, 49:46]。

    

  • 运输：用250个集装箱，由25辆卡车和7架波音747飞机运送 [49:48, 49:52, 49:53]。

    

“不合理之人” [51:22]

• 漫长的研发之路：尽管充满了怀疑和挫折，EUV技术最终在木下首次成像的三十年后，达到了制造水平 [49:57, 49:59, 50:01]。
• 不合理的重要性：
  • 尽管几乎全世界都不相信EUV会成功，但ASML的一些人早在2010年就坚信它会成功 [50:05, 50:07, 50:08, 50:11]。
  • EUV的实现历经数月、数十年，克服了数千个障碍，耗资数十亿美元 [51:22, 51:24, 51:27, 51:30, 51:32, 51:35, 51:38, 51:40, 51:43, 51:44, 51:45, 51:49, 51:50, 51:52, 51:55, 52:57, 52:58, 53:00]。

    

  • “理性的人适应世界，不理性的人坚持要世界适应自己。因此，所有进步都取决于不理性的人” [51:55, 51:57, 52:00, 52:02, 52:05, 52:07]。

    

  • 想象一下，如果安迪、木下和所有其他人都是“理性”的，我们今天就不会拥有EUV技术，甚至许多日常技术和便利都不会存在，世界将变得极其乏味 [52:09, 52:12, 52:14, 52:16, 52:18, 52:21, 52:23, 52:24, 52:27, 52:28, 52:30, 52:31, 52:33, 52:36]。

    

  • 很大程度上，我们都得益于那些“不理性”的人 [52:39, 52:42, 52:45, 52:46, 52:50]。