《芯片戰(zhàn)爭(zhēng)：世界最關(guān)鍵技術(shù)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)》是美國(guó)經(jīng)濟(jì)史學(xué)家克里斯·米勒撰寫(xiě)、蔡樹(shù)軍翻譯的科技類著作。該書(shū)以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全球分工為主線，追溯從冷戰(zhàn)至今的芯片技術(shù)發(fā)展歷程，闡釋芯片在現(xiàn)代軍事、經(jīng)濟(jì)和地緣政治中的戰(zhàn)略地位。全書(shū)涵蓋美國(guó)通過(guò)技術(shù)博弈確立主導(dǎo)地位、臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起、華為5G技術(shù)受限等案例，分析全球芯片短缺與供應(yīng)鏈危機(jī)背后的國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)。書(shū)中提及美國(guó)《芯片法案》補(bǔ)貼政策、EUV光刻機(jī)研發(fā)困境等議題，揭示大國(guó)在人工智能與軍事技術(shù)領(lǐng)域的核心博弈。

EUV光刻機(jī)

迪倫·麥克格斯（Dylan McGrath），《英特爾再次減持阿斯麥股份》（Intel Again Cuts Stake in ASML），《電子工程專輯》英文版，2018年10月12日。

蘋(píng)果并不是半導(dǎo)體行業(yè)中唯一擁有令人困惑的復(fù)雜供應(yīng)鏈的公司。到2010年末，荷蘭光刻機(jī)公司阿斯麥已經(jīng)花了近20年的時(shí)間試圖使極紫外光刻發(fā)揮作用。要做到這一點(diǎn)，阿斯麥就需要在世界上搜尋最先進(jìn)的部件、最純凈的金屬、最強(qiáng)大的激光器和最精確的傳感器。EUV光刻機(jī)是我們這個(gè)時(shí)代最大的技術(shù)賭注之一。2012年，在阿斯麥生產(chǎn)出功能性EUV光刻機(jī)之前的幾年，英特爾、三星和臺(tái)積電都直接投資于阿斯麥，以確保其擁有足夠的資金繼續(xù)開(kāi)發(fā)未來(lái)芯片制造能力所需的EUV光刻機(jī)。2012年，僅英特爾就向阿斯麥投資了40億美元。這是該公司有史以來(lái)最大的賭注之一。此前，英特爾在EUV光刻機(jī)上投入了數(shù)十億美元的贈(zèng)款和資金，可追溯到安迪·格魯夫時(shí)代。

采訪約翰·泰勒，2021年。

EUV光刻機(jī)背后的想法，正如一位參與該項(xiàng)目的科學(xué)家所說(shuō)的，與英特爾和其他芯片公司組成的財(cái)團(tuán)，當(dāng)年給幾個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供“無(wú)限資金去解決一個(gè)不可能解決的問(wèn)題”時(shí)，沒(méi)有什么不同。這個(gè)概念與杰伊·萊思羅普的倒置顯微鏡基本相同：通過(guò)使用掩模來(lái)阻擋部分光線，從而形成光波圖案，然后投射到硅片上的光刻膠上。光與光刻膠反應(yīng)，使材料沉積或蝕刻成完美形狀成為可能，從而完成芯片制造。

萊思羅普使用了簡(jiǎn)單的可見(jiàn)光和柯達(dá)生產(chǎn)的現(xiàn)成光刻膠。通過(guò)使用更復(fù)雜的透鏡和化學(xué)物質(zhì)，人們最終可以在硅片上刻出幾百納米尺寸的形狀。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)本身是幾百納米，這取決于顏色，因此隨著晶體管越來(lái)越小，它最終面臨著極限。該行業(yè)后來(lái)轉(zhuǎn)向波長(zhǎng)為248納米和193納米的紫外光，紫外光相比可見(jiàn)光可以更精確地雕刻出圖形。但這還不夠，因此人們將希望寄托在波長(zhǎng)為13.5納米的極紫外光上。

使用EUV帶來(lái)了新的困難，事實(shí)證明這個(gè)困難幾乎不可能得到解決。在萊思羅普使用顯微鏡、可見(jiàn)光和柯達(dá)生產(chǎn)的光刻膠的地方，所有關(guān)鍵的EUV光刻機(jī)部件都必須專門制作，你不能簡(jiǎn)單地買一個(gè)EUV燈泡。要想產(chǎn)生足夠的EUV，需要用激光轟擊一個(gè)小錫球。西盟（Cymer）是由加州大學(xué)圣地亞哥分校的兩位激光專家創(chuàng)立的公司，自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直是光刻光源領(lǐng)域的主要參與者。該公司的工程師們意識(shí)到，最好的方法是以大約每小時(shí)200英里的速度在真空中射出一個(gè)三千萬(wàn)分之一米直徑的小錫球，然后用激光照射錫兩次，第一次脈沖加熱錫，第二次脈沖將錫球轟成溫度約為50萬(wàn)攝氏度的等離子體，這比太陽(yáng)表面熱很多倍。然后，這個(gè)轟錫過(guò)程每秒重復(fù)5萬(wàn)次，以產(chǎn)生制造芯片所需強(qiáng)度的EUV。從那時(shí)起，復(fù)雜性的增加令人難以置信，而以前萊思羅普的光刻工藝只需借助于一個(gè)簡(jiǎn)單的燈泡作為光源。

采訪兩位通快高管，2021年。

西盟的光源需要由一種新的激光器以足夠大的功率轟擊錫滴產(chǎn)生。這需要功率比以前任何激光器都要強(qiáng)大的二氧化碳激光器。2005年夏天，西盟的兩名工程師聯(lián)系了一家名為通快（Trumpf）的德國(guó)精密工具公司，看看它能否制造出這樣的激光器。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。在最好的德國(guó)工業(yè)傳統(tǒng)里，這些激光器是機(jī)械加工的紀(jì)念碑。因?yàn)樵诙趸技す馄鳟a(chǎn)生的能量中，大約80%是熱量，只有20%是光，所以從機(jī)器中抽取熱量也是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。通快之前設(shè)計(jì)了一種鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)扇每秒轉(zhuǎn)動(dòng)1000次，由于速度太快，鼓風(fēng)機(jī)無(wú)法依靠物理軸承。最終，該公司學(xué)會(huì)了使用磁鐵，因此風(fēng)扇可以在空氣中飄浮，并且在從激光系統(tǒng)中吸出熱量時(shí)不會(huì)與其他部件發(fā)生摩擦，也不會(huì)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確性和可靠性方面享有盛譽(yù)和良好紀(jì)錄。那么，通快能提供大功率的激光器嗎？EUV激光器的功率比通快已經(jīng)生產(chǎn)的任何激光器的功率都要大。此外，西盟要求的精確度比通快之前處理過(guò)的任何項(xiàng)目都更精確。西盟提出了一種由四個(gè)部件組成的激光器：一是兩個(gè)“種子”激光器，雖然其功率低，但能精確地控制每個(gè)脈沖，使激光每秒能擊中5萬(wàn)個(gè)錫滴；二是四個(gè)增加光束功率的諧振器；三是一個(gè)超精確的“光束傳輸系統(tǒng)”，可以將光束引導(dǎo)到錫液滴室，光束路徑超過(guò)30米；四是一個(gè)最終聚焦裝置，以確保激光每秒直接命中數(shù)百萬(wàn)次。

采訪通快兩位高管，2021年。馬克·勞里（Mark Lourie），《II-VI公司擴(kuò)大EUV光刻機(jī)通快高功率CO2激光器的金剛石窗口的制造能力》（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。

每一步都需要?jiǎng)?chuàng)新。激光室中的特殊氣體必須保持恒定密度。錫滴本身能夠反射光，反射光有可能進(jìn)入激光系統(tǒng)形成干擾。為了防止這種情況的出現(xiàn)，激光系統(tǒng)需要特殊的光學(xué)部件。通快需要工業(yè)鉆石來(lái)提供激光離開(kāi)腔室的“窗口”，必須與合作伙伴合作開(kāi)發(fā)新的超純鉆石。通快花了十年時(shí)間來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，生產(chǎn)出了功率和可靠性都足夠的激光器。每臺(tái)光源需要整整457329個(gè)部件。

在西盟和通快找到了一種方法來(lái)轟擊錫并使其發(fā)出足夠強(qiáng)的EUV后，下一步是制作反射鏡，收集光并將其指向硅芯片。制造世界上最先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的德國(guó)公司蔡司自珀金埃爾默和GCA成立以來(lái)，就為光刻系統(tǒng)制造反射鏡和透鏡。但過(guò)去使用的光學(xué)部件與EUV所需的光學(xué)部件之間的差異，大約與萊思羅普的燈泡和西盟的錫滴噴射系統(tǒng)之間的差異一樣巨大。

C.蒙特卡姆（C. Montcalm），《極紫外線光刻的多層反射涂層》（Multilayer Relective Coatings for Extreme-Ultraviolet Lithography），能源部科學(xué)技術(shù)信息辦公室，1998年3月10日。《彼得·庫(kù)茲博士訪談：“擊中月球上的高爾夫球”》（Interview with Dr. Peter Kurz:“Hitting a Golf Ball on the Moon”），《光子學(xué)世界》（World of Photonics）。《蔡司——為明天的微芯片開(kāi)辟新天地》（ZEISS: Breaking New Ground for the Microchips of Tomorrow），蔡司集團(tuán)，YouTube視頻，2019年8月2日。

蔡司面臨的主要挑戰(zhàn)是EUV難以反射。13.5納米波長(zhǎng)的EUV更接近X射線而不是可見(jiàn)光。與X射線一樣，許多材料吸收EUV，而不是反射EUV。蔡司開(kāi)始開(kāi)發(fā)由100層交替的鉬和硅制成的反射鏡，每層厚度為幾納米。勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在1998年發(fā)表的一篇論文中確定了這是目前最佳的EUV反射鏡。但是，制造這樣一個(gè)具有納米級(jí)精度的反射鏡被證明幾乎是不可能的。最終，蔡司創(chuàng)造了有史以來(lái)最光滑的鏡子，其中的缺陷小到幾乎難以察覺(jué)。蔡司表示，如果EUV光刻系統(tǒng)中的鏡子按比例放大到德國(guó)面積大小，它們最大的不平整度是十億分之一毫米。為了精確地引導(dǎo)EUV，EUV光刻系統(tǒng)中的鏡子必須保持完全靜止，這需要機(jī)械和傳感器高度精確，以至蔡司宣稱其可以讓激光擊中月球上的高爾夫球。

《負(fù)責(zé)任的供應(yīng)鏈：為高科技行業(yè)設(shè)置更高的標(biāo)準(zhǔn)》（Responsible Supply Chain: Setting the Bar Higher for the High-Tech Industry），阿斯麥。采訪弗里茨·范霍特，2021年。

2013年，范霍特接管了阿斯麥的EUV光刻業(yè)務(wù)。對(duì)于他來(lái)說(shuō)，EUV光刻系統(tǒng)最關(guān)鍵的投資不是某個(gè)單一部件，而是公司的供應(yīng)鏈管理技能。范霍特解釋道，阿斯麥“像機(jī)器一樣”設(shè)計(jì)了這個(gè)商業(yè)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了一個(gè)由數(shù)千家公司組成的能夠滿足阿斯麥嚴(yán)格要求的精細(xì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)。他估計(jì)，阿斯麥本身只生產(chǎn)了EUV光刻機(jī)部件的15%，其余部分是從其他公司購(gòu)買的。這使得阿斯麥可以獲得世界上最精細(xì)的產(chǎn)品，但它需要不斷地監(jiān)控。

新聞稿：《蔡司和阿斯麥將在21世紀(jì)20年代初加強(qiáng)下一代EUV光刻的合作關(guān)系》（Press Release: ZEISS and ASML Strengthen Partnership for Next Generation of EUV Lithography Due in Early 2020s），阿斯麥，2016年11月3日。采訪阿斯麥供應(yīng)商高管，2021年。

阿斯麥別無(wú)選擇，只能依靠單一來(lái)源獲得EUV光刻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為了管理這一點(diǎn)，阿斯麥深入了解其供應(yīng)商的源頭，以了解風(fēng)險(xiǎn)。阿斯麥以投資形式回報(bào)某些供應(yīng)商，比如2016年支付給蔡司10億美元，為蔡司的研發(fā)提供資金。這樣，所有供應(yīng)商都達(dá)到了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。阿斯麥的首席執(zhí)行官彼得·溫寧克（Peter Wennink）告訴一家供應(yīng)商：“如果你不守規(guī)矩，我們就會(huì)把你買下來(lái)。”這并不是一個(gè)玩笑：阿斯麥最終買下了包括西盟在內(nèi)的幾家供應(yīng)商，因?yàn)榘⑺果溦J(rèn)為自己可以更好地管理它們。

伊戈?duì)枴じラT科夫等，《批量制造EUV光源：技術(shù)、性能和功率放大》（Light Sources for High-Volume Manufacturing EUV Lithography: Technology, Performance, and Power Scaling），《先進(jìn)光學(xué)技術(shù)》（Advanced Optical Technologies），第6卷，第3-4期，2017年6月8日。

結(jié)果，一臺(tái)擁有數(shù)十萬(wàn)個(gè)部件的機(jī)器，花費(fèi)了數(shù)百億美元和幾十年的時(shí)間來(lái)研發(fā)。奇跡不僅僅在于EUV光刻技術(shù)的成功，還在于EUV光刻技術(shù)能夠以足夠可靠的成本生產(chǎn)芯片。極端的可靠性對(duì)于EUV光刻系統(tǒng)中的任何部件都至關(guān)重要。阿斯麥為每個(gè)部件設(shè)定了一個(gè)平均使用時(shí)間至少為3萬(wàn)小時(shí)的目標(biāo)——大約四年后才需要維修。實(shí)際上，這些部件需要頻繁地進(jìn)行維修，因?yàn)槊總€(gè)部件不是同時(shí)失效的。每臺(tái)EUV光刻機(jī)的成本超過(guò)1億美元，因此如果每臺(tái)機(jī)器離線一小時(shí)，芯片制造商就會(huì)損失數(shù)千美元。

這里對(duì)計(jì)算光刻的描述借鑒吉姆·凱勒，《摩爾定律沒(méi)有死》（Moore's Law Is Not Dead），加州大學(xué)伯克利分校電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系活動(dòng)，YouTube視頻，2019年9月18日。

EUV光刻機(jī)之所以能夠工作，部分原因歸功于軟件。例如，阿斯麥?zhǔn)褂妙A(yù)測(cè)性維護(hù)算法來(lái)預(yù)計(jì)部件何時(shí)需要在損壞之前更換。阿斯麥還使用一種叫作計(jì)算光刻的軟件來(lái)更精確地打印圖案。光與光刻膠產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的原子級(jí)不可預(yù)測(cè)性給EUV帶來(lái)了新的問(wèn)題，而這在更大波長(zhǎng)的光刻技術(shù)中幾乎不存在。為了調(diào)整光線折射方式的異常，阿斯麥的工具以不同于芯片制造商希望印在芯片上的圖案投射光線。要想形成圖形“X”，阿斯麥需要使用形狀非常不同的圖案，但當(dāng)光到達(dá)硅晶圓后，最終會(huì)產(chǎn)生“X”。

作為最終產(chǎn)品，芯片之所以能夠可靠地工作，是因?yàn)樗挥幸粋€(gè)部件——一塊覆蓋著其他金屬的硅。芯片中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，除非你算上芯片內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的電子。但生產(chǎn)先進(jìn)的半導(dǎo)體依賴于一些迄今為止最復(fù)雜的機(jī)器。阿斯麥的EUV光刻機(jī)是歷史上最昂貴的大規(guī)模生產(chǎn)機(jī)器，其復(fù)雜程度非常高。如果沒(méi)有阿斯麥工作人員的充分培訓(xùn)，其他公司就不可能使用阿斯麥的EUV光刻機(jī)，阿斯麥的工作人員在設(shè)備的整個(gè)使用壽命期間都會(huì)留在現(xiàn)場(chǎng)。每個(gè)EUV光刻機(jī)的側(cè)面都有一個(gè)阿斯麥徽標(biāo)。但阿斯麥欣然承認(rèn)，阿斯麥的專長(zhǎng)是能夠協(xié)調(diào)一個(gè)由光學(xué)專家、軟件設(shè)計(jì)師、激光公司和許多其他人組成的網(wǎng)絡(luò)，這些人的能力是實(shí)現(xiàn)EUV光刻機(jī)夢(mèng)想所必需的。

《通快通過(guò)激光交易整合EUV光刻供應(yīng)鏈》（Trumpf Consolidates EUV Lithography Supply Chain with Access Laser Deal），2017年10月4日。

正如格魯夫在生命的最后幾年那樣，人們很容易對(duì)制造業(yè)的離岸外包感到惋惜。荷蘭公司阿斯麥將美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室率先開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，該技術(shù)主要由英特爾提供資金。如果人們知道光刻或EUV光刻技術(shù)的歷史，這無(wú)疑會(huì)激怒美國(guó)的經(jīng)濟(jì)民族主義者。但阿斯麥的EUV光刻工具并不是真正的荷蘭式工具，盡管它們主要在荷蘭組裝，其關(guān)鍵部件來(lái)自加利福尼亞州的西盟，以及德國(guó)的蔡司和通快，甚至這些德國(guó)公司也依賴美國(guó)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。問(wèn)題是，與其說(shuō)一個(gè)國(guó)家能夠?qū)@些神奇的工具感到自豪，不如說(shuō)它們是許多國(guó)家的產(chǎn)物。一個(gè)有幾萬(wàn)個(gè)零件的工具有很多“父親”。

格魯夫問(wèn)過(guò)約翰·卡拉瑟斯一個(gè)問(wèn)題：“它能行嗎？”然后，格魯夫?qū)⑺牡谝还P2億美元投資于EUV光刻機(jī)。經(jīng)過(guò)30年的時(shí)間、累積數(shù)百億美元的投資、一系列的技術(shù)創(chuàng)新，以及世界上最復(fù)雜的供應(yīng)鏈的建立，到2015年左右，阿斯麥的EUV光刻機(jī)終于準(zhǔn)備好部署到世界上最先進(jìn)的芯片制造廠。