🐹《晶片戰爭》解讀 6：世界上最複雜的機器 EUV 光刻機

本期來介紹掌握世界晶片關鍵的 EUV 光刻機！

卷首語

• 發現創作者們對自己的要求都會特別高，如果剛好在讀這篇的你也是創作者，有時候可以「放過自己」，告訴自己你很棒。

• 看到谷阿莫在講 YouTube 頻道的近況，其實這跟文字創作也有某種程度的相似之處，如果是為了賺錢才進來，前期會非常辛苦要撐的下去，先想清楚，賺錢的方法很多，不是只有影音文字。

• 如果你是熱愛分享，那記得這份分享的快樂，別被虛榮心指數給帶走了。只要你的內容哪怕只有一個人期待著，為這個人努力創作分享也會是一件很快樂的事，大家也要多多鼓勵創作者！

• 今天這篇還參考了ASML: A Monopoly on Magic 這篇，也很精采如果對於 ASML 及 EUV 光刻機還想多看看推薦閱讀。

• 內容的影片大多來自 ASML 的粉專，很多動畫都蠻棒的，可以幫助大家更理解。

解讀系列

1. 《晶片戰爭》解讀1：晶片那麼貴，初期怎麼熬過的

2. 《晶片戰爭》解讀 2：晶片萌芽之初，各個國家如何發展？

3. 《晶片戰爭》解讀 3：嘲諷值開滿的日本

4. 《晶片戰爭》解讀 4：風水輪流轉，日衰美盛

5. 《晶片戰爭》解讀 5：生子當如張忠謀

背景知識

• 2000 年代，大家常把半導體分成 3 類：

  • 邏輯晶片：用來驅動智慧型手機、電腦和伺服器的心臟。

  • 記憶體晶片： DRAM 和 快閃記憶體（NAND）。

    • DRAM 提供電腦運行所需的短期記憶。

    • NAND 則是長時間記憶資料。

  • 廣泛類型的晶片，像是：

    • 類比晶片：把視訊或音訊轉換為數位資料。

    • 無線射頻晶片：使手機可以與網路連接。

    • 管理設備用電方式的半導體：確保設備有效且安全地使用電力。

• 如今建立一間先進的邏輯晶片廠至少需要 200 億美元，很少公司能夠負擔。

• 格芯：從 AMD 分出去的晶圓代工廠。

前情提要

幫大家重溫一下重點項目，上一期提到，張忠謀為什麼創立台積電的遠見：

因為每一代晶圓的技術進步，都會堆高晶圓廠的成本。每一片晶片越來越小、越來越難做（成本越高），然後大量新的應用需求被打開，所以成本是指數級增加的。

因此，捨棄設計晶片這個業務，台積電就當一個專屬的印刷廠，別的晶片公司不怕台積電偷走自己的想法，比起三星這樣設計兼製作晶片的公司，台積電一定更值得信任。

台積電出現，也造就了一個大晶片時代。

台積電大同盟

張忠謀自己也意識到，台積電技術上可以超越競爭對手，因為本身處在一個中立者的角色，台積電讓自己成為這些上下游廠商的中心節點，他把這數十家公司圍繞著台積電的運作模式稱為「大同盟」。

這些圍繞台積電的上下游公司也許會彼此競爭，但因沒有廠商生產晶圓，所以沒有一家跟台積電競爭，台積電也因此手握『為這些公司制定晶片製作標準和協議』的權力。

金融危機小故事

2008 年金融危機時，蔡力行（張忠謀欽點繼任者）做了一件幾乎 CEO 都會做的是：『裁員及削減成本』。

但是，張忠謀看準了智慧型手機晶片的發展，他篤定這一波一定是個大機會，他裁掉了蔡力行，重新招回那些被蔡力行裁掉的員工。

即使在金融危機的 2009 ~ 2010 年，仍然增加了數十億美元的支出，只為了搶下並保持這個市場的龍頭地位，事後也證明了張忠謀是對的！

NVIDIA 的誕生

1993 年，黃仁勳等人創立了 NVIDIA。NVIDIA 的第一批客戶是影片和電玩公司，雖然看起來不是最先進的公司，但 NVIDIA 認為圖像的未來是顯示複雜的 3D 立體圖像，因此朝著這個方向前進。

小知識：1990 年代， Office 推出的迴紋針，代表著圖形技術的大躍進！（很常當機就是了）

想到 NVIDIA 就會想到最著名的顯示卡，當初有鑑於對圖像顯示的重視，NVIDIA 設計了能夠處理 3D 圖形的晶片，也就是圖形處理器（Graphics Processor Unit，簡稱 GPU）。

快速說明一下讓大家理解 CPU 跟 GPU 的差異：

• CPU（中央處理器）就像一個經理，他能同時處理很多不同的工作，這些不同的工作需要同時處理時，經理可以處理的很快。

• GPU（圖形處理器）就像工廠的工人，專門做重複或特定的工作，執行起來效率特別特別高。

所以像是挖礦或是遊戲的超高畫質顯示，交給 GPU 的效率跟 CPU 可以說是天壤之別。

相信這樣講印象可能不深刻，直接上一部幾十秒的影片讓大家知道 CPU 及 GPU 在處理圖像時的差異：

（影片翻譯來源：寶玉）

後來，NVIDIA 發現晶片不只適用於繪圖業，其強大的平行處理功能還打開了一個龐大的新市場：AI 運算。

NVIDIA 就是受惠於台積電的無晶圓廠模式，NVIDIA 只需要設計晶片，台積電就會製造出來。

（這樣想想 NVIDIA 真像是第一批拿到大祕寶的人）、（海賊王的梗，抱歉了沒看海賊王的讀者們）

超複雜的機器：EUV 光刻機

（圖片來源：ASML）

這個介紹在書中只有用一個篇章（第 39 章），卻盡顯了為什麼 ASML 的重要以及製造 EUV 光刻機如此困難。

在讀這本書之前，我一直有個大問題，相信也是讀者會有的問題，那就是：

中國沒辦法自己製造最先進的晶片嗎？為什麼近幾年總是被美國掐脖子？

看完 EUV 光刻機的發展就會有頭緒了！

在上一篇的『光刻技術的地位』這個小節提到，光刻技術的關鍵在於光的波長，波長就像刀片的鋒利程度。

波長越短，就可以“刻畫”出更小和更精細的光刻圖案，就像更鋒利的刀刻出更精細的圖案一樣，可以製作出更小、更密集的電路。

但原本傳統方法紫外線能達到的波長最小就在 248 奈米或是 193 奈米，要向上突破只能寄希望於 13.5 的極紫外光上。

但是，要用上 EUV 可以說幾乎不可能，原本使用的是顯微鏡、可見光加上柯達的光阻劑，但是要用上 EUV 的話幾乎所有的元件都必須重新特製。

從兩個步驟來看到底這台機器多複雜：

如何產生 EUV（極紫外光）

（影片來源：ASML）

世上並沒有一種燈泡是 EUV 燈泡，所以需要特殊方法來產生。

為了產生足夠的 EUV，需要用雷射粉碎一個小顆的錫球。多小呢？

發射一個直徑為 3000 萬分之 1 米的小錫球，使它以時速約 200 英里的速度穿過真空。

然後用雷射照射那顆錫球兩次，第一次是加熱它，第二次是以約 50 萬度的溫度（太陽表面溫度的好幾倍）把它轟擊成電漿體。

這種轟擊錫滴的過程，每秒重複 5 萬次，就能產生製造晶片所需的 EUV 量。

我：『阿…阿？影片看起來不難阿，原來這麼難！』

要知道原本的光刻技術只需要一顆簡單的燈泡作為光源即可，EUV 光刻機的出現，相當於原本加減乘除突然變成高等微積分了。

難到爆！

要發明超高功率的雷射、要射的準、要有可以承受 50 萬度的器械等等。而且這個的精準度相當於在地球上拿著手電筒照到月球上的 10 圓硬幣一樣難。

光是為了讓雷射室的氣體不被錫滴本身的反光干擾，加上要讓雷射順利離開雷射室，廠商花了 10 年才克服這項挑戰。

如何將 EUV 光反射到矽晶片上

（影片來源：ASML）

聽起來很簡單，但一樣是難到爆的事。

因為 EUV 波長接近 X 光線，這樣的波長很容易被許多材料給吸收，一般鏡子無法反射。

製作反射鏡的是全球最頂尖的光學公司『德國蔡司』，蔡司開發了一種由 100 層的鉬和矽交替製成的鏡子，每層都只有幾奈米厚。

要做出來幾乎不可能，因為不能有任何的雜質，但蔡司最終還是做出來了。

蔡司還表示：『那些機械與感測器甚至可以導引雷射，擊中遠在月球的高爾夫球。』

剛剛才要從地球照手電筒到月球的 10 圓硬幣上而已，現在又要透過鏡子反射會地球的高爾夫球上了，看這個有多困難。

超強的供應鏈管理系統

EUV 光刻機每個零部件都堪比一台火箭，這邊只用了兩個最複雜的例子來說明。

每個部件的零件就高達 10 萬件，而且來自不同供應商，而最複雜的雷射有將近 46 萬個零部件。

花了數百億美元和幾十年才研發出來的，而且可以順利運作外，還能生產出符合成本效益的晶片，這對於所有領域內的人來說都知道這是一個奇蹟。

ASML 厲害的地方就在於供應鏈管理能力，ASML 的商業關係網路就像一台精密儀器一樣，由數千家公司組成調整的系統，ASML 本身估計只有生產 15% 的元件而已，其它都是採購來的。

ASML 的執行長說過：『你們不守規矩的話，我們會直接把你們的公司買下來。』

每台將近 2 億美元的成本，是世界上最貴的機台，如果操作人員沒有接受 ASML 的專業訓練根本不可能使用。

所以只要購買 EUV 光刻機就會送數名專業操作人員，直到機台壞掉。

由此可見，光刻機不可能由任何一個國家單獨製造，ASML 的總裁評價說：『人們終將意識到，在半導體領域取得成功的唯一途徑就是通過合作，這只是時間問題。』

這個合作必須仰賴全球化。

Intel 的錯失

要知道 Intel 可是從 1990 年代初就投資了 EUV，上一篇的光刻機之戰開頭就是代入 John 及葛洛夫兩人對於摩爾定律的重視及光刻機的研發的投入。

真的非常可惜，2010 年時，歷經 30 年 EUV 光刻機研發成功了，但也是 Intel 成功的時候，整個組織也在邁向官僚化。

要轉變製程方式還要購買 EUV 光刻機太花錢，加上資源分配不均等問題，最終 Intel 錯過了 EUV 光刻機，也錯過了 iphone 訂單。

結語

ASML 是荷蘭公司，目前也只有他們能夠掌握 EUV 光刻機，但他們的護城河是用『數十年的時間』+『全球化供應鏈管理』+『數百億美金』所打造的。

回頭看就能知道為什麼中國做不出來 EUV 光刻機，因為要打造 EUV 光刻機的成本太昂貴了，回到當初也沒有人敢保證這能成功做出來，對大家來說都是奇蹟。

回頭看 ASML 這些供應商，有很大比例都來自美國，所以如果今天美國限制出口重要材料到 ASML，一樣會導致 EUV 光刻機難產，這也是為什麼美國能輕鬆拿晶片掐住中國。

下一篇開始更深入解讀相關的地緣政治。