Весной 2026 года Илон Маск официально представил масштабный план по производству чипов TeraFab. Его аргумент был предельно прост: SpaceX и Tesla в будущем потребуют как минимум 1 тераватт вычислительной мощности, что в 10 раз превышает текущие глобальные мощности по производству чипов.
Затем в этом же месяце, кажется, он сделал еще более крупную ставку: выход на рынок литографических установок.
01 TeraFab прицелилась на литографические установки
По сообщениям блогеров, судя по информации, опубликованной TeraFab, Илон Маск, похоже, выбрал путь FEL (Free Electron Laser — лазер на свободных электронах), чтобы разрушить монополию традиционных EUV-систем.
Позже сам Маск опубликовал в социальных сетях пост «FEL FTW» (FEL победит), что было воспринято как косвенное подтверждение этой гипотезы. Сочетая удлиненную конструкцию здания TeraFab с заявлениями Маска, технология FEL стала самым обсуждаемым предполагаемым направлением. Согласно ранее озвученным планам, TeraFab создаст интегрированную производственную базу чипов, которая будет одновременно производить логические и запоминающие чипы, объединив в одном заводе все этапы: литографию, упаковку и тестирование.
Не случайно, в июле прошлого года стартап в области полупроводников xLight объявил о привлечении $40 млн в рамках переподписки на раунд B. Эти средства будут направлены на разработку FEL с целью преодоления физических ограничений существующей EUV-литографии и обеспечения ключевой поддержки источников света для массового производства чипов по 2-нанометровым и более передовым техпроцессам. Примечательно, что в марте прошлого года бывший генеральный директор Intel Пэт Гелсингер опубликовал пост на LinkedIn, в котором сообщил, что присоединился к xLight в качестве исполнительного председателя.
Внезапно характеристики самой технологии FEL вызвали горячие дискуссии в отрасли.
02 FEL — альтернативное решение для EUV
Во всей цепочке поставок ИИ-чипов голландская компания ASML является на данный момент единственной в мире, способной производить оборудование EUV, контролируя более 90% рынка литографического оборудования.
Её EUV-литографы используют источник EUV-излучения LPP (Laser-Produced Plasma). Принцип работы заключается в облучении капель расплавленного олова, вылетающих из сопла со скоростью 50 000 капель в секунду, лазером на углекислом газе мощностью 30 кВт. Каждая капля облучается дважды (т.е. требуется 100 000 лазерных импульсов в секунду), превращаясь в плазму. EUV-излучение с длиной волны 13,5 нм генерируется за счет переходов между энергетическими уровнями высокоионизированных ионов олова.
Хотя технология LPP сделала коммерциализацию EUV-литографии возможной, её фундаментальные физические ограничения становятся все более очевидными по мере развития техпроцессов.
Во-первых, узкое место в эффективности преобразования энергии. В приведенном выше объяснении есть ключевое слово: длина волны 13,5 нм. Это означает, что по сравнению с источником света с длиной волны 193 нм, используемым в современных литографах DUV, источник EUV в 15 раз короче, что позволяет вытравливать на кремнии более мелкие каналы. В настоящее время ASML в основном использует лазеры на углекислом газе американской компании Cymer для возбуждения оловянной плазмы и генерации экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 13,5 нм. Согласно данным компании, эффективность преобразования от лазера к оловянной плазме достигает 5,5%. С учетом собственной электрооптической эффективности лазера на CO2 около 10% и потерь при передаче через коллекторные зеркала, фактическое использование EUV-света от сети до пластины обычно составляет менее 0,5%.
Во-вторых, загрязнение оловянными частицами. Во время генерации плазмы высокоскоростные разбрызгиваемые ионы олова и нейтральные частицы непрерывно осаждаются на поверхности чрезвычайно дорогих коллекторных зеркал с многослойным покрытием, что приводит к снижению отражательной способности и сокращению срока службы.
В-третьих, потолок мощности. Текущий источник EUV LPP достиг максимальной мощности EUV около 600 Вт. Однако для удовлетворения потребностей производства на узле 2 нм и ниже требуется мощность EUV более 1,5 кВт. Текущие EUV-системы мощностью 500-600 Вт в основном полагаются на многократную экспозицию для накопления дозы фотонов, чтобы компенсировать нехватку мощности источника.
В феврале этого года ASML объявила о планах к 2030 году повысить производительность следующего поколения EUV-литографов с высокой числовой апертурой на 50% за счет внедрения совершенно новой системы источника света мощностью до 1000 Вт. К 2030 году мощность обработки пластин на одной EUV-установке увеличится с 220 до 330 пластин в час.
По сравнению с технологией LPP, FEL не зависит от плазменного преобразования. FEL — это лазер на свободных электронах. Вся система источника света состоит из электронной пушки, испускающей начальный пучок электронов, который затем ускоряется до скорости, близкой к скорости света, линейным ускорителем (в передовых схемах часто используются сверхпроводящие линейные ускорители). Релятивистский пучок электронов высокой плотности попадает в ондулятор, создающий периодическое переменное магнитное поле. Под действием магнитного поля электроны совершают поперечные колебания и генерируют спонтанное излучение. Это излучение продолжает модулировать электронный пучок, способствуя формированию микросгустков электронов с периодом, равным длине волны излучения. Электроны в микросгустках производят когерентное излучение, создавая положительную обратную связь, и интенсивность излучения растет экспоненциально. В сочетании с такими методами, как инжекция затравки, система в конечном итоге выдает стабильный EUV-пучок.
Таким образом, длина волны экстремального ультрафиолетового излучения, генерируемого FEL, считается кандидатом для литографии следующего поколения. Этот диапазон короче текущего EUV с длиной волны 13,5 нм и приближается к области мягкого рентгеновского излучения. Согласно открытой информации, технической целью xLight является точная настройка в диапазоне Blue-X (также называемом диапазоном «за пределами EUV») от 2 до 7 нм.
Кроме того, во всем оптическом тракте отсутствуют процессы облучения капель расплавленного олова и плазменного распыления, в вакуумной камере оптического тракта не образуются металлические частицы. Источник EUV-FEL также может генерировать высокую мощность EUV, превышающую 10 кВт, что позволяет одновременно обеспечивать более 1000 Вт мощности EUV для 10 EUV-литографов без риска загрязнения зеркал Mo/Si оловом.
03 Изменяются ли правила игры на рынке литографов?
Заглянув под оболочку литографической индустрии, можно увидеть три четкие технологические траектории: постепенную эволюцию EUV, революцию в источниках света EUV и альтернативные решения, не связанные с EUV. Все три сосуществуют, но итерации EUV по-прежнему остаются абсолютным главным направлением, в то время как два последних больше похожи на «неожиданные ходы» в шахматной партии.
Первый лагерь: Постепенная эволюция ASML, по-прежнему абсолютный лидер.
ASML по-прежнему прочно контролирует основной рынок. В первом квартале чистая выручка составила 8,8 млрд евро, чистая прибыль — 2,8 млрд евро; во втором квартале общая чистая выручка — 9,326 млрд евро, чистая прибыль — 2,918 млрд евро. В то же время ASML во второй раз за год существенно повысила прогноз по годовым результатам, подняв прогноз выручки на 2026 год до 43-45 млрд евро.
Как производитель самого критичного оборудования для производства пластин, стремительный рост показателей ASML отражает гонку вооружений, разворачивающуюся во всей технологической индустрии. Такие гиганты, как Amazon, Google и Microsoft, вкладывают сотни миллиардов долларов в инфраструктуру, разжигая огромный спрос на высокопроизводительные ИИ-чипы со стороны конечных потребителей. Фабрики по производству пластин, включая логические и запоминающие чипы, ускоряют расширение, доводя спрос на литографы до точки кипения.
Расширение производственных мощностей также идет агрессивными темпами. Компания планирует на основе примерно 65 EUV-литографов с низкой числовой апертурой (Low NA) в 2026 году увеличить мощности на 30% в 2027 году и изучает возможность дальнейшего увеличения на 30% в 2028 году. Параллельно, на основе примерно 130 иммерсионных DUV-литографов в 2026 году планируется увеличить мощности на 30% в 2027 году с потенциальным дополнительным увеличением на 30% в 2028 году.
High-NA EUV (литографы с экстремальным ультрафиолетовым излучением и высокой числовой апертурой) — это следующая «козырная карта» ASML. Они используют оптическую систему с числовой апертурой 0,55, что обеспечивает разрешение 8 нм, поддерживает техпроцессы 3 нм и ниже и закладывает технологический задел для узла 1 нм. Одноразовая экспозиция позволяет повысить точность травления схем в 1,7 раза, контрастность изображения — на 40%, а плотность транзисторов достигает 2,9 раза по сравнению с предыдущей системой, эффективно снижая энергопотребление чипа и повышая скорость вычислений.
Однако, поскольку стоимость одного High-NA EUV-литографа составляет около 400 млн долларов, что почти в два раза больше стоимости традиционного EUV-литографа, а адаптация и интеграция производственных линий сопряжены с чрезвычайно высокими техническими трудностями, внедрение High-NA EUV идет не очень гладко. Чжан Сяоцян, старший вице-президент по развитию бизнеса и глобальным операциям и заместитель совместного операционного директора TSMC, на пресс-конференции перед ежегодным технологическим форумом сообщил журналистам, что у компании в настоящее время нет планов по развертыванию оборудования High-NA EUV от ASML, разработанного для процессоров следующего поколения.
Второй лагерь: Революция источников света — точечный удар по «сердцу» ASML.
Это путь FEL, выбранный TeraFab Маска и xLight. Он не бросает прямой вызов доминированию ASML в области оптических систем, а ищет прорыв в звене источника света. Это означает, что производителям чипов не нужно массово заменять существующее сопутствующее оборудование (литографы, травление, осаждение, контроль), а достаточно заменить систему источника света, чтобы получить значительное улучшение производительности и снижение затрат — такой путь обновления по принципу «включи и работай» чрезвычайно привлекателен для фабрик.
xLight заявляет, что мощность ее системы FEL более чем в 4 раза превышает мощность существующих систем. Развертывание FEL от xLight на существующих американских фабриках может повысить производительность на 50% и устранить потребность в расходных материалах, таких как олово или водород; а развертывание на новых фабриках может повысить производительность на 100%. Это позволит производителям создавать чипы с меньшими размерами элементов и более высокой эффективностью, расширяя возможности литографии следующего поколения.
Если источник света можно заменить независимо, переговорная сила ASML будет структурно ослаблена. Однако стоит отметить, что ASML рассматривала путь EUV-источника на основе FEL еще десять лет назад, но в итоге сочла его слишком рискованным и выбрала путь EUV-источника на основе LPP. Поэтому, возможно, потребуется время, чтобы выяснить, можно ли преодолеть проблему массового производства FEL и когда.
Кроме того, существуют и другие пути развития источников света. Например, основанный в 2022 году стартап из Сан-Франциско Substrate выбрал путь рентгеновской литографии на основе ускорителя частиц. Китай также продвигает собственные технологии EUV-источников. Согласно открытой информации, несколько китайских команд исследуют различные технологические пути, включая обратную разработку существующей технологии LPP, с целью достичь прорыва в период с 2028 по 2030 год.
Среди них Харбинский политехнический институт и другие учреждения пытаются разработать литографическую схему на основе LDP (Laser-Induced Discharge Plasma). Принцип заключается в испарении олова между электродами с последующим возбуждением плазмы высоковольтным разрядом. Конструкция проще и компактнее, чем у LPP, но плотность мощности излучения ограничена, и остается вопрос, сможет ли она поддерживать массовое производство.
Третий лагерь: Нетрадиционные решения, полностью обходящие EUV, тихо развиваются.
Нанопечатная литография (Nanoimprint Lithography, NIL) — наиболее продвинутая в коммерческом плане из них. Используя физический шаблон для непосредственного оттиска узора, NIL не требует сложных оптических систем и источников света, а стоимость оборудования и энергопотребление значительно ниже, чем у EUV. Японская компания Canon уже продвигает применение NIL в массовом производстве микросхем памяти. Хотя разрешение пока не может конкурировать с High-NA EUV, на рынке микросхем памяти, где требования к ширине линии относительно мягче, NIL уже демонстрирует конкурентоспособность по стоимости.
Электронно-лучевая прямая запись (Electron Beam Lithography, EBL) идет совершенно другим путем. Электронно-лучевая литография по сути является технологией прямой записи, использующей сфокусированный электронный луч для поточечной экспозиции резиста, точно прорисовывая узоры с помощью электромагнитного управления. Этот способ не зависит от фотошаблонов и обладает большим преимуществом на этапе разработки с частыми итерациями дизайна, особенно подходит для таких сценариев, как квантовые устройства, новые материалы, прототипы чипов и изготовление фотошаблонов.
Но до сих пор электронно-лучевая литография в основном существовала в сфере научных исследований и мелкосерийного применения, и причина не в разрешении, а в производительности. Электронно-лучевая прямая запись — это последовательная экспозиция, и даже при высокой точечной точности общая пропускная способность ограничена, что неприемлемо для массового производства на уровне пластин. Однако на этапе разработки эта «медлительность» компенсируется чрезвычайной гибкостью. Для исследовательских групп, которым необходимо многократно изменять топологию, проверять физические модели или исследовать новые структуры устройств, возможность обойтись без процесса изготовления фотошаблонов часто важнее, чем повышение скорости экспонирования.
Сегодня EUV все больше напоминает старого солдата, который долго бежал. Технологические ограничения реальны, но и сеть экосистемы, которую ASML ткала вокруг него двадцать лет, тоже реальна. Новому игроку, чтобы выйти на поле, мало просто быстро бежать самому — нужно, чтобы вся трасса изменила правила игры под него.
План Маска TeraFab по сути является крупной ставкой: ставкой на то, что FEL сможет перейти из лаборатории на фабрику, что замена источника света по принципу «включи и работай» позволит обойти патентные барьеры ASML, и что потребность в 1 тераватте вычислительной мощности достаточна для поддержки совершенно новой цепочки поставок.
Ответ на вопрос, каким должен быть путь развития литографии следующего поколения, возможно, не за горами. Но можно сказать наверняка — когда Маск написал «FEL FTW» в социальных сетях, бизнес литографов перестал быть игрой в одни ворота только для ASML.
Данная статья взята с официального аккаунта WeChat «半导体产业纵横» (ID: ICViews), автор: Фэн Нин.
