美国，重金砸向EUV技术

文｜半导体产业纵横

一场价值不菲的科技豪赌。

据报道，美国政府投资价值约10 亿美元的研究中心，以开发下一代极紫外光（EUV）制程技术，挑战荷兰产业领导者艾司摩尔（ASML)。

美国政府支助价值8.25 亿美元的EUV 设备将设于Albany NanoTech Complex，成为首个《芯片法案》计划的R&D 旗舰设施，并将获得额外使用者资金。半导体设备商应材（Applied Materials) 预计将成为主要参与者之一，以直接与ASML 竞争。面对竞争，ASML 于2024 年6 月与比利时imec 合作，开设类似实验室。

EUV 设备将专注开发最先进的高数值孔径EUV 研发。美国表示，EUV 曝光技术已成为达成7 纳米以下晶体管大量生产的关键技术，包括台积电等主要芯片制造商都采取相关技术。因此，美国政府表示，获得EUV 曝光技术研发的机会，对于延续美国的半导体技术领先地位、缩短原型开发时间和成本，以及建立和维持半导体人才生态系统非常重要。

美国国家半导体技术中心（NTSC) 及母组织Natcast 成员将于2025 年获得标准EUV 曝光设备的使用权，并于2026 年获得High-NA EUV 光刻机的使用权。从2024 年开始，ASML 已经开始向英特尔和其他芯片制造商提供High-NA EUV 光刻机。美国商务部长Gina Raimondo 表示，通过这个旗舰设施，《芯片法案》计划为NSTC 提供了先进研究和工具的机会，并启动代表着确保美国在创新和半导体研发方面保持全球领导地位的重要里程碑。

Albany NanoTech Complex 现已成为由IBM 转型而出的非营利组织NY Creates 一部分，将于2025 年开始初期营运，并允许Natcast、NY Creates 和NSTC 成员合作，开展研发活动。对此，美国商务部标准与技术副部长兼国家标准与技术研究所所长Laurie Locascio 表示，凭借20 年培育有效公私合作伙伴关系的经验，以及自成立以来在半导体研发、制造和人才发展方面投资超过250 亿美元，NY Creates 处于独特地位，可以支持NSTC 的使命，提供开放环境以加速研究、缩短商业化时间，并在美国培育可持续的半导体生态系统。

Synopsys 前高层，也是当前Natcast 执行长的Deirdre Hanford 指出，CHIPS for America 的EUV 设备强调致力美国开发和推进下一代半导体技术的承诺。与NY Creates 合作，使Natcast 和NSTC 成员获必要EUV 光刻机和流程，以促进更广泛的研究，并加速未来技术的商业化。

美国曾有机会引领芯片制造技术，但错过了

这是一次重大的战略失误。

美国在发展当今人工智能革命所依赖的半导体技术方面发挥了至关重要的早期作用。然而，现在垄断该工艺的是一家荷兰公司，而主导生产的则是亚洲制造商。

极紫外光刻机可以说是当今世界上最重要的电子设备。它们的出现使芯片组装的处理能力发生了重大变化，为新一代人工智能工具铺平了道路。OpenAI 的 ChatGPT 和谷歌的 Gemini 等人工智能平台执行的大量多层次计算加速了通常由人类执行的众多任务。

现在面临的问题是，EUV 机器仅由一家公司制造：ASML Holding NV 。每台设备大小与一辆公共汽车相当，每台成本超过 2 亿美元。迄今为止，已出货 200 多台，使 ASML 成为欧洲最有价值的科技股，市值超过 3000 亿美元。

美国是如何放弃对这项关键技术的控制权的？部分原因是，很少有行业高管认为 EUV 能够奏效。另一个原因是，长期以来全球最大的芯片制造商英特尔公司的判断失误。

近原子尺度

硅芯片由晶体管组成，本质上是一系列门和开关，是现代计算中"0"和"1"的物理表现。为了使计算机功能更强大，半导体工程师一直在寻求使晶体管更小。20世纪中叶发明的第一批晶体管长度约为一厘米。现在，它们的宽度只有几纳米，即几十亿分之一米。

在芯片制造的最初几十年里，人们使用可见光在硅片上刻出图案来制造晶体管，这一过程被称为光刻技术，之后该行业转向使用紫外线。20 世纪 80 年代，科学家开始思考如何才能使芯片制造达到近原子级，以保持创新的步伐。新泽西州贝尔实验室的研究人员开始研究极紫外技术，随后美国能源部的三个国家实验室：劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚实验室也开始研究。美国能源部最终为这项研究投入了数千万美元。

随着这些机构在某些技术要素上取得进展，他们意识到，要想将其推向市场，行业支持至关重要。1997 年，一家名为 EUV LLC 的公私合营企业成立，其成员包括美国公司英特尔、AMD 和摩托罗拉。该企业最终扩大到包括光刻公司硅谷集团和 ASML，后者也参与了欧洲的一个类似的 EUV 研究联盟。

当时，日本的尼康公司和佳能公司是光刻技术领域最大的参与者，日本似乎是美国芯片制造主导地位的最大威胁。因此，美国不愿在下一代技术的竞争中让亚洲国家占上风，而是全力支持硅谷集团和 ASML 的努力。这家荷兰公司全力投入 EUV 领域，并在随后的几年里努力挖掘其潜力。2001 年，ASML斥资 11 亿美元收购了硅谷集团，这场比赛只剩下一匹马了。当时，它预计 EUV 将在 2006 年实现商业化。

技术挑战

事实证明，这种想法过于乐观。该技术极其复杂。它需要用高功率激光以每秒 50,000 次的速度喷射锡滴，产生发射 EUV 光的等离子体。由于这种光在地球上不会自然产生（它被空气吸收），因此该过程必须在真空中进行。然后，光线被一系列镜子聚焦，从标线反射回来。标线是玻璃或镜子上的图案，可以阻挡和吸收一些光线（该名称源于枪瞄准器上的十字线），从而形成要蚀刻到芯片上的电路图案。

由于这些设备的运行规模，德国蔡司公司制造的镜子必须光滑得几乎不可能：最大的瑕疵只有一个原子那么高。ASML 表示，如果镜子的尺寸与一个国家一样大，最高的凸起也只有 1 毫米高。而且用激光喷射熔融的锡很麻烦。它需要定期清理，这意味着有很多停机时间。这让人很难想象这些机器的经济性：半导体制造设施需要每周 7 天、每天 24 小时不间断运行，才能证明建造它们所花费的数十亿美元是合理的。

直到 2012 年，业界才开始认为这项技术确实可行。而且它仍然需要大量资金投入。因此，ASML 转向了其最大的客户：台积电投资 14 亿美元，三星电子公司投资 9.74 亿美元，英特尔承诺投资高达 41 亿美元。这三家芯片制造商当时共持有 ASML 约四分之一的股份。

这一策略奏效了，到 2018 年，ASML 开始大量出货 EUV 机器。尽管早期大部分运行都是在美国进行的，而且英特尔是 ASML 最大的工业支持者，但第一代机器没有一台是英特尔的。

这不是 ASML 的选择，而是英特尔的选择。当时的首席执行官 Brian Krzanich 并不相信这项技术能够以经济的规模发挥作用。他赌一把，希望能够让现有技术发挥作用，直到他认为 EUV 的问题得到解决。他有充分的理由充满信心：英特尔一直凭借尖端的芯片制造工艺领先于同行。

事实证明这是一个错误。2018 年左右，台积电利用 EUV 工艺首次在技术上超越了英特尔。台积电经营着所谓的代工业务，包括苹果、英伟达和AMD在内的客户设计自己的芯片，然后委托台积电生产。

与此同时，英特尔努力让其替代的"多重图案化"芯片光刻方法可靠地工作。当英特尔将工艺微调到可以大规模应用的程度时，台积电和三星已经开始生产更先进的半导体。

英特尔的下一步行动

与此同时，英特尔仍在为其失算而苦苦挣扎，因为以英伟达为首的其他芯片制造商正在大力推进针对人工智能相关任务的半导体开发。

2021 年接任英特尔首席执行官的帕特·基辛格 (Pat Gelsinger) 在 4 月份表示："我们采取了重大措施来避免使用 EUV，但正如你所见，它在功率、性能、面积和成本方面都存在缺陷。"

股市说明了这一错误的严重性。2012 年，当英特尔投资 ASML 时，它的市值是英伟达的 15 倍，几乎是台积电的两倍。现在，它的市值只是这两家公司的一小部分：英特尔的市值为 1250 亿美元，台积电为 8230 亿美元，英伟达为 2.7 万亿美元。这在很大程度上是由于英特尔无法获得 EUV。

基辛格迫切希望确保自己不会重蹈前任的覆辙。英特尔正在全力支持下一代 EUV：高数值孔径。该方法使用新的光学系统将光线聚焦到更小的点，该公司已经在俄勒冈州的一个工厂安装了第一个预生产模型。该公司计划裁员数千人，并将资源集中在新工厂上，为其他芯片制造商和自己的芯片制造商生产半导体。