美国发力EUV光刻

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但其实作为全球半导体的发源地，美国在EUV光刻方面的实力也不容忽视。虽然没有EUV光刻机，但其中关键的组成光源，则是由ASML收购的美国公司Cymer开发。

进入近年来，随着美国想在芯片制造方面获得更大的成就，他们在EUV光刻上，也有了更多的投入。例如来自美国芯片巨头Intel，已经在这方面有了很多投入。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。

美国方面近日宣布，其CHIPS for America 极紫外 (EUV) 加速器盛大启用。

2023 年 12 月，美国纽约州宣布与 IBM、美光、应用材料、东京电子等半导体行业领导者建立新的 100 亿美元合作伙伴关系，在 NY CREATES 的奥尔巴尼纳米技术综合体建立下一代半导体研发中心。

据介绍，该公私合作伙伴关系将资助建设尖端的High NA 极紫外光刻中心——北美第一个也是唯一一个公有的High NA EUV 中心——该中心将支持世界上最复杂、最强大的半导体的研发。除了对纽约州首府地区的转型性投资外，此次合作还将使纽约州成为全美最先进的公有半导体研发基础设施所在地，支持纽约州科技经济的长期增长。

为支持该项目，纽约州已投资10亿美元扩建奥尔巴尼纳米技术中心，通过购买ASML的EXE:5200高数值孔径EUV扫描仪建立高数值孔径EUV中心，并建造了纳米晶圆反射工厂（NanoFab Reflection）。该工厂是一座全新的、高度先进的建筑，拥有超过5万平方英尺的洁净室空间，将促进未来合作伙伴的发展，并支持国家半导体技术中心、国家先进封装制造计划和国防部微电子公共项目等新项目。

美国方面表示，EUV加速器将专注于开发最先进的高数值孔径EUV技术及其相关研发。他们指出，EUV光刻技术已成为实现7纳米以上晶体管量产的关键技术，尽管在1.6纳米和1.4纳米工艺中，2纳米以下的制程仍使用高数值孔径EUV。ASML表示，该中心将为更广泛的公司开发使用EUV和高数值孔径EUV的工艺步骤提供支持。

总体而言，这个EUV加速器的主要功能包括：

美国政府表示，获得 EUV 光刻技术研发对于扩大美国的技术领先地位、减少原型制作的时间和成本以及建立和维持半导体劳动力生态系统至关重要。

Natcast 首席执行官 Deirdre Hanford 表示： “EUV 加速器的盛大启用对 Natcast、NSTC 以及整个美国半导体生态系统而言都具有里程碑式的意义。这一先进的设施彰显了我们致力于在美国开发和推进下一代半导体技术的承诺。EUV 光刻技术已成为实现更小、更快、更高效芯片批量生产的基石技术。通过 EUV 加速器，我们将为 Natcast 和 NSTC 成员研究人员提供关键工具，以促进更广泛的研究，并开辟商业化途径，从而提升美国在未来技术领域的领导地位。”

除了在当前的EUV方面上发力。从过去几年的报道中我们可以看到，来自美国的企业，也正在EUV光刻的替代技术上发力。

今年四月，美国初创公司xLight宣布，希望使用粒子加速器为光刻机产生光，并声称它可以在 2028 年之前生产出这种光源，同时保持与现有工具的兼容性。xLight在官网表示，公司的使命是将粒子加速器驱动的自由电子激光器 (FEL：Free Electron Lasers ) 商业化，以满足美国关键的经济和国家安全应用。xLight也指出，公司正在打造全球最强大的激光器，以革新半导体光刻、计量技术以及其他关键的经济和国家安全应用。

据介绍，激光等离子体是目前用于尖端半导体制造的唯一 EUV 光产生方法。然而，它极其耗电（约 1.5 MW 的电力仅能产生 500 W 的光），并且无法完全支持 ASML 现有和未来版本的扫描仪，因为这些扫描仪需要高达 2 kW 的光源功率。

“我们为半导体市场开发了一种全新的极紫外 (EUV) 自由电子激光 (FEL) 光源，以取代目前已接近物理极限的激光等离子体 (LPP) 光源。我们的 FEL 系统将显著增强 ASML 的技术路线图，在降低资本和运营成本的同时，提升半导体晶圆厂的生产能力，并助力美国重振其在先进半导体领域的领先地位。” xLight强调。

五月，又一家名为Inversion Semiconductor的美国公司浮出水面。据介绍，Inversion Semiconductor的目标是利用“台式”粒子加速器来产生所需的高功率光，这种加速器能够将电子加速到厘米级的极高能量，而不是像欧洲核子研究中心 (CERN) 和斯坦福直线加速器 (SLAC) 的大型加速器那样需要公里级。他们希望利用由高功率激光器驱动的等离子体波（ Wakefield）来实现这一目标。具体而言，就是一项叫做Laser Wakefield Acceleration （LWFA）的技术。

从原理上看，LWFA 利用强激光脉冲与等离子体的相互作用，将电子在极短距离内加速到极高的能量。这个过程类似于冲浪者在船后尾流中冲浪：电子在等离子波中“冲浪”，并在行进过程中获得能量。

借助该现象可产生紧凑、高功率的光源。Inversion 预计，LWFA 可以将用于产生高能光的传统粒子加速器缩小 1000 倍至桌面大小，也就是说，其尺寸将从几公里缩小到一米左右；在相同数值孔径（NA）的情况下，能将晶体管密度增加100％；基于该项技术，能将临界尺寸均匀性提高 25%，显著改善新型晶体管架构和计算范式（包括量子和可逆）的高深宽比特征的制造。

该公司表示，其目标是产生1千瓦的软X射线（20纳米至6纳米）。如果成功，这一里程碑将为用户设施的建设奠定基础，届时预订光束时间将像预订SpaceX发射一样简单——只需使用信用卡即可。

同时，该公司将开发新型镜面系统，用于反射和聚焦产生的X射线。这将使我们能够使用由STARLIGHT驱动的初始LITH-0系统演示硅图案化。

按照Inversion的计划，公司将使用其先进的光源投射图案，就像传统的 EUVL 一样，但该光源可调至 13.5 纳米或更低的波长，下一代目标波长为 6.7 纳米。此外，该公司声称，它可以在相同数值孔径下使晶体管密度翻倍，同时实现现有机器三倍的吞吐量。该光源的亮度也可能足以照亮多个晶圆台，因此一个光源搭配四台或八台光刻机将进一步提高制造效率。

其实除了美国以外，日本和欧洲也在探索EUV光刻的新机会。

例如挪威初创公司Lace Lithography AS表示，其正在开发一种光刻技术，该技术使用向表面发射的原子来定义特征，其分辨率超出了极紫外光刻技术的极限。据了解，Lace Litho 所称的 BEUV 理论上可以实现更精细的特征，支持晶体管的持续小型化并延伸摩尔定律。

众所周知，传统的 EUV 系统使用 13.5nm 波长的光，通过一系列反射镜和掩模在晶圆上形成图案。原子光刻技术能够实现直接无掩模图案化，其分辨率甚至小于受波长限制的 EUV 系统所能达到的分辨率。

该公司在其网站上声称：“通过使用原子代替光，我们为芯片制造商提供了领先当前技术 15 年的功能，而且成本更低、能耗更低。”

据了解，该项目来自一个由欧盟资助的项目FabouLACE 。具体而言是采用亚稳态原子和基于色散力的掩模，可实现 2 纳米工艺。欧盟委员会表示，Lace 光刻技术已获授权在 2031 年前将该技术推向市场。与此同时，该技术的性能将由 IMEC 研究机构进行监测和验证。NanoLACE 是欧洲早期的一个研究项目，于 2024 年 12 月 31 日结束。该项目于 2019 年启动，已获得 336 万欧元的资助，其预算为 365 万欧元。

日本筑波高能加速器研究组织（KEK）的一组研究人员也认为，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技术可能会更便宜、更快速、更高效。

美国弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器设施退休的高级研究员斯蒂芬·本森(Stephen Benson) 曾估计，整个 EUV-LPP 系统的电光转换效率可能不到 0.1%。他说，像 KEK 正在开发的这种自由电子激光器，其效率可能是前者的 10 到 100 倍。

据介绍，KEK 正在开发的系统通过将电子加速到相对论速度，然后以特定方式偏离其运动来产生光。如他们所说，这个过程始于电子枪将电子束注入一根数米长的低温冷却管。在这个管子里，超导体发出射频 (RF) 信号，驱动电子越来越快地移动。然后电子旋转 180 度，进入一个叫做波荡器的结构，这是一系列方向相反的磁铁。（KEK 系统目前有两个。）波荡器迫使高速电子沿正弦路径运动，这种运动导致电子发光。

关于这个技术详解，可以参考半导体行业观察此前的文章《替代EUV光刻，新方案公布！》

其实现代光刻机发展到当下，也是经过很多技术探索尝试才得出现在的结果。换而言之，当前很多解决方案，也许在过去就有过尝试，但可能受限于当时的了解，失败了。

从ASML的分享中我们也明白到，其实继续推进EUV光刻，不是不可能，例如在数值孔径方面，该公司就正走在从High NA到Hyper NA的演进。未来会有什么新方法，我们也不能预测。

但可以肯定的是，芯片性能的继续提升，应该是板上钉钉的。问题就在于取决于EUV光刻，还是其他诸如封装等技术了。