芯片產出速度提升50%！ASML取得關鍵突破，EUV光刻實現千瓦級躍遷

2 月 24 日，據路透社報道，全球半導體設備龍頭阿斯麥（ASML）在其圣地亞哥研發中心取得了一項關鍵技術突破：他們已成功研發出能穩定輸出 1,000 瓦（1kW）功率的極紫外（EUV）光源系統。據預測，到 2030 年，這項技術將使單臺光刻機的芯片產出量提升 50%。

（來源：ASML）

ASML 負責 EUV 光源技術的首席專家邁克爾·珀維斯（Michael Purvis）明確表示，這并非實驗室里的短暫演示，而是一套能在客戶量產環境下穩定運行的成熟系統。

要理解這個系統帶來的突破，首先要厘清極紫外（EUV）光刻技術的核心運作機制。在半導體制造的微觀世界里，光刻機扮演著“超級投影儀”的角色：它利用光線將極其復雜的電路圖案縮小并“印刷”到涂有光刻膠的硅晶圓表面。

然而，隨著芯片制程不斷逼近物理極限，傳統的深紫外光（DUV）已無法滿足精度要求，業界必須使用波長僅為 13.5 納米的極紫外光（EUV）。可這種波長的光在自然界中極難獲取，且極易被空氣和普通透鏡吸收，于是 ASML 構建了一套系統來人為制造極紫外光光源。

在光刻機核心的真空腔體內，高精度的液滴發生器會以極高的頻率噴射出直徑僅為幾十微米的熔融錫滴。這些微小的錫滴隨后成為高能二氧化碳激光器的靶標。

當高功率激光束精準擊中高速飛行的錫滴時，錫滴瞬間被加熱至數萬攝氏度，直接氣化并電離，形成一團高溫、高密度的等離子體云。就在這團等離子體冷卻衰變的極短瞬間，錫離子會釋放出波長為 13.5 納米的極紫外光子。

隨后，一套由多層鉬/硅薄膜組成的精密反射鏡系統（因為普通透鏡會吸收 EUV 光，只能使用反射鏡）將這些光子收集并聚焦，最終投射到晶圓上完成曝光。

在這一鏈條中，光源功率直接決定了光刻機的“吞吐量”（Throughput），即每小時能處理多少片晶圓。現有的量產型 EUV 光刻機，其光源功率長期徘徊在 600 瓦左右。這已經是工程的極限：要維持穩定的 600 瓦輸出，機器每秒需噴射約 5 萬個錫滴，并用激光進行數億次的精準轟擊。

功率成為瓶頸，是因為 EUV 的產生效率極低。輸入激光的能量中，僅有約 2% 至 4% 能最終轉化為有用的 13.5 納米 EUV 光，其余能量大多轉化為廢熱或碎片。

若要提升功率，意味著必須在單位時間內處理更多的錫滴，這不僅對激光器的重復頻率提出了苛刻要求，更使得真空腔體內的熱管理、錫碎片的清理以及光學元件的保護變得異常困難。一旦功率提升導致碎片增多或鏡片污染加速，機器的停機維護時間就會增加，反而抵消了產能增益。

此次 ASML 實現 1,000 瓦功率的跨越，并非簡單的加大火力，而是通過兩項關鍵的底層創新，從根本上優化了能量轉換效率：

首先是錫滴頻率的倍增。研發團隊成功將液滴發生器的噴射頻率提升了一倍，從每秒約 5 萬個錫滴增加到約 10 萬個。這意味著在相同時間內，系統擁有了兩倍的“原材料”來產生光子。但這要求液滴發生器在極高頻率下仍能保持錫滴大小、位置和速度的極度均一，任何微小的偏差都會導致激光脫靶。

其次是激光脈沖策略的重構。傳統模式下，激光器通常使用單個經過整形的高能脈沖轟擊錫滴，試圖一次性將其激發至最佳等離子態。然而，這種方式往往難以兼顧錫滴的預熱、扁平化以及最終的等離子體激發，導致能量浪費。

新系統則采用了“雙脈沖串”策略：第一個較小的脈沖串先對錫滴進行預處理，將其精確地整形和預熱至最佳狀態；緊接著，第二個脈沖串再進行主轟擊。這種分步走的精細控制，顯著提升了激光能量向 EUV 光子的轉化率，使得在同等激光輸入下能產出更多的有效光子。

科羅拉多州立大學教授、激光物理學權威豪爾赫·J·羅卡（Jorge J. Rocca）對這一進展給予了極高評價：“這不僅僅是一個單一技術的突破，而是一項極具挑戰性的系統工程。你需要同時掌握流體力學（控制錫滴）、高能激光物理（脈沖整形）、等離子體動力學以及極端環境下的精密控制，并將它們完美整合。能在工業級量產設備上穩定實現 1,000 瓦的功率輸出，確實令人驚嘆。”

圖 | 豪爾赫·J·羅卡（來源：科羅拉多州立大學）

這一突破意味著，光刻機不再受限于光源強度導致的曝光時間過長，從而能夠以更快的速度掃描晶圓。對于芯片制造廠而言，這直接轉化為單臺設備產出的大幅增加，以及在同等產能需求下設備數量和廠房空間的大幅縮減，有望顯著改善先進制程的單位成本結構。

對晶圓廠而言，光源功率的提升直接轉化為產能的增加。ASML 負責 NXE 產品線的執行副總裁特恩·范·高（Teun van Gogh）表示，隨著光源功率增強，到本年代末，單臺機器的晶圓處理能力（WPH）有望從目前的每小時 220 片提升至 330 片左右。

在光刻過程中，光強越強，光刻膠所需的曝光時間就越短。在當前人工智能和企業級計算需求激增的背景下，芯片制造商正面臨嚴峻的產能約束。如果能在不增加額外設備和潔凈室空間的前提下，通過光源升級將產能提升 50%，這將極大改善晶圓廠的經濟效益。

ASML 透露，除了針對未來新機型，公司目前提供的“生產力增強包”（PEPs）也旨在幫助客戶升級現有設備。不過，業內分析認為，受限于熱管理極限，較老型號的 NXE:3400C/D 機型可能難以直接升級到千瓦級光源。這項新技術更可能應用于現有的 NXE:3800E 配置，以及即將推出的高數值孔徑（High-NA）EXE:5000/5200 系列機型。

圖 | NXE:3800E（來源：ASML）

ASML 此時披露這一進展，也與全球競爭環境有關。盡管 ASML 是目前市場上唯一的商業化 EUV 供應商，但地緣政治和供應鏈安全考量正在催生新的挑戰者。

在美國，Substrate 和 xLight 兩家初創公司已籌集數億美元，致力于開發本土替代方案。其中，xLight 更獲得了特朗普政府的資金支持，試圖利用粒子加速器產生更短波長的 X 射線進行光刻。與此同時，中國在出口管制壓力下，也在加速推進本土光刻機研發。

行業觀察家指出，ASML 將光源功率推高至千瓦級，實際上是在大幅提高 EUV 技術的準入門檻。當競爭對手還在為幾百瓦的穩定輸出努力時，ASML 已通過提升功率密度和產出效率，進一步降低了客戶的單片制造成本，從而進一步提高技術壁壘。

當然，從技術驗證到大規模量產仍需克服諸多工程挑戰。1,000 瓦的 EUV 光源意味著真空腔體內的熱負荷將急劇增加，這對機器的冷卻系統、氫氣流控制以及精密光學組件的穩定性都提出了更高要求。此外，更高的功率也引發了關于電力供應和能耗的討論。

盡管如此，ASML 對未來技術路徑保持樂觀。邁克爾·珀維斯透露，該公司認為實現 1,000 瓦的技術路徑將為未來的持續演進打開大門：“我們已經看到了一條通往 1,500 瓦的清晰路徑，且從基礎物理層面來看，沒有理由不能達到 2,000 瓦。”

1.https://www.reuters.com/world/china/asml-unveils-euv-light-source-advance-that-could-yield-50-more-chips-by-2030-2026-02-23/

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