2026年的春天,马斯克正式揭晓TeraFab芯片制造大计。他的理由十分简单:SpaceX与特斯拉未来至少需要1太瓦的算力,而这一规模,超过当前全球芯片供应能力的10倍。
随后在这个月,他似乎下了一个更大的赌注:进军光刻机。
01 TeraFab,盯上光刻机了
有博主发布消息称,从TeraFab发布的消息看来,Elon Musk似乎要搞FEL(Free electronlaser:自由电子激光器)路线,颠覆传统EUV的垄断。
马斯克本人随后在社交平台发文“FEL FTW”(FEL必胜),被外界视为对这一推测的侧面印证。结合TeraFab细长的厂房设计及马斯克的表态,FEL技术路线成为当前最热门的猜想方向。按照此前规划,TeraFab将打造一座一体化芯片制造基地,同时生产逻辑芯片和存储芯片,并将光刻、封装和测试等环节全部整合到同一座工厂内。
无独有偶,去年7月,半导体初创公司xLight宣布完成4000万美元B轮超额认购融资。此次融资将重点投入FEL的研发,目标是突破现有EUV光刻技术的物理极限,为2纳米及更先进制程芯片量产提供关键光源支持。值得注意的是,去年3月,英特尔前CEO帕特·基辛格在LinkedIn平台上发布博文称,其已经加入了 xLight 担任执行董事长。
一时之间,FEL技术本身的特性引发业内热烈讨论。
02 FEL,给EUV换一种解法
在整个 AI 芯片供应链中,荷兰 ASML 是目前全球唯一能造EUV设备的公司,占据了超九成的光刻设备市场份额。
该公司的EUV光刻机便是采用激光等离子体EUV光源(LPP),其原理是通过30kW功率的二氧化碳激光器轰击以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出的锡金属液滴,每滴两次轰击(即每秒需要10万个激光脉冲),将它们蒸发成等离子体,通过高价锡离子能级间的跃迁获得13.5nm波长的EUV光线。
LPP技术虽成就了EUV光刻的商业化,但其固有的物理局限正随着制程推进而加速放大。
首先是能量转换效率的瓶颈。在上文的解释中有一个关键词:13.5nm波长。这意味着相比于当前主流DUV光刻机用的193nm光源,EUV的光源只有十五分之一,能够在硅片上刻下更小的沟道。目前ASML主要采用美国Cymer公司的二氧化碳激光器激发锡等离子体产生13.5nm的极紫外光,该公司技术驱动激光器到锡等离子体的转换效率达到 5.5%,再加上二氧化碳激光器自身的电光效率约 10%,以及收集镜传输损失,实际从电网到晶圆的 EUV 光利用率普遍不到 0.5%。
其次是锡碎屑污染。等离子体产生过程中,高速溅射的锡离子和中性碎屑会持续沉积在极其昂贵的多层膜收集镜表面,导致反射率下降、寿命缩短。
第三是功率的天花板。当前LPP-EUV光源已达到约600W的最大EUV功率。然而,为满足2纳米节点及以下的制造需求,所需的EUV功率需超过1.5千瓦,现阶段500-600瓦规格的EUV主要依赖多重曝光来积累光子剂量从而抵消光源功率的短板。
今年2月,ASML宣布,计划在2030年前,通过引入一种全新的、功率高达1000瓦的光源系统,将下一代的高数值孔径EUV光刻机的生产效率提升50%。到2030年,单台EUV设备的晶圆处理能力将从每小时220片提升至330片。
与 LPP 技术相比,FEL 不依赖等离子体转换。FEL全称自由电子激光器,整套光源系统由电子枪发射初始电子束,经直线加速器(先进方案多采用超导直线加速器)将电子加速至接近光速。处于相对论状态的高密度电子束进入周期性交变磁场构成的波荡器,电子在磁场作用下横向周期性摆动并产生自发辐射;辐射光场持续调制电子束,促使电子形成以辐射波长为周期的微聚束,微聚束电子产生相干辐射并形成正反馈,辐射光强呈指数放大;配合种子注入等技术手段,系统可最终输出波长稳定的 EUV 光束。
因此,FEL 产生的极紫外光波长,被认为是下一代光刻的候选波段。该波段比当前 13.5 纳米的 EUV 波长更短、接近软 X 射线的区间。根据公开信息,xLight 的技术目标是在 2~7 纳米的 Blue-X 波段(也称“超越 EUV”波段)精确调谐。
并且,整条光路内部不存在锡金属液滴轰击、等离子体溅射的过程,光路真空腔体不会产生金属碎屑沉积。EUV-FEL 光源还可产生超过 10 kW 的高 EUV 功率,它可以同时为 10 台EUV光刻机供超过1000W 的 EUV 功率,而不会对 Mo/Si 反射镜面造成锡污染。
03 光刻机的游戏规则,改写了吗?
剥开光刻产业的壳,可以看到三条清晰的技术轨迹:EUV的渐进式迭代、EUV的光源革新,以及非EUV的替代方案。三者并存,但EUV迭代仍是绝对主角,后两者更像是棋局中的“变招”。
第一阵营:ASML的渐进式迭代,依然是绝对主角。
ASML依然牢牢掌控着主流赛道。今年第一季度净销售额88亿欧元,净利润28亿欧元;第二季度总净销售额93.26亿欧元,净利润29.18亿欧元。与此同时,ASML还在年内第二次大幅上调全年业绩指引,将2026年全年销售额预测大幅提高至430亿至450亿欧元。
作为晶圆制造上游最核心的光刻机设备厂,ASML业绩暴涨反映出的是整个科技产业正在上演的军备竞赛。其中亚马逊、谷歌、微软等巨头在基础设施领域砸下数千亿美元,引爆下游对高端AI芯片的庞大需求,包括逻辑、存储在内的晶圆厂加速扩产,将光刻机需求推向了白热化。
产能扩张同样激进。该公司计划基于2026年约65台低数值孔径(Low NA)EUV的产能规划之上,在2027年将产能提升30%,并正研究于2028年进一步提高30%的产能。同时,计划基于2026年约130台浸润式DUV的产能规划之上,在2027年将产能提升30%,并正研究于2028年再提高30%的产能。
High-NA EUV(高数值孔径极紫外光刻机)是ASML的下一代“王牌”,其采用0.55数值孔径光学系统,可实现8纳米分辨率,支持3纳米及以下制程工艺,并为1纳米节点提供技术储备。该设备通过单次曝光使电路刻蚀精细度提升1.7倍,成像对比度提高40%,晶体管密度达到前代系统的2.9倍,有效降低芯片功耗并提升运算速度。
不过,由于单台High-NA EUV设备造价约4亿美元,近乎传统EUV光刻机的两倍,且产线适配整合存在极高技术难度,因此High-NA EUV的应用情况并不是很理想。台积电负责业务开发及全球业务的资深副总经理兼副联席COO张晓强在年度技术论坛前的记者会上向媒体透露,公司目前没有计划部署 ASML 专为下一代处理器设计的High-NA EUV设备。
第二阵营:光源革新——精准打击ASML的“心脏”。
这就是马斯克TeraFab和xLight选择的FEL路线。不正面挑战ASML在光学整机上的统治力,而是在光源环节寻找突破口。这意味着芯片制造商无需对现有光刻、刻蚀、沉积、检测等配套设备做大面积更换,只需替换光源系统即可获得显著的产能和成本改善——这种"即插即用"式的升级路径对晶圆厂而言极具吸引力。
xLight 宣称,其 FEL 系统的功率是现有系统的 4 倍以上,在美国现有晶圆厂部署 xLight FEL 可将生产效率提高 50%,并消除对锡或氢等耗材的需求;而在新建晶圆厂部署 xLight FEL 可将生产效率提高 100%。这将使生产商能造出特征尺寸更小、效率更高的芯片,以此扩展下一代光刻技术。
倘若光源可以被独立替换,ASML的议价权就会被结构性削弱。但值得注意的是,ASML早在十年前就考虑过FEL EUV光源路线,但最终认为风险偏高,而走向了LPP EUV光源。因此,FEL的量产问题能否被攻克、何时被攻克,或许还需时日探究。
此外,还有其他光源路线。比如成立于 2022 年的旧金山初创公司Substrate选择了基于粒子加速器的 X 射线光刻路径。中国也在推进自主 EUV 光源技术。据公开消息,国内多个团队正在探索不同技术路径,包括对现有 LPP 技术的逆向研发,目标是在 2028 至 2030 年间实现突破。
其中,哈尔滨工业大学等机构尝试开发基于激光诱导放电等离子体(LDP)的光刻方案,原理是在电极间将锡蒸发后通过高压放电激发等离子体,结构比 LPP 更简单、占地更小,但发光功率密度有限,能否支撑量产仍存疑。
第三阵营:完全绕过EUV的非传统方案,正在暗处生长。
纳米压印光刻(NIL)是其中商业化进展最快的一条。通过物理模板直接压印图案,NIL无需复杂的光学系统和光源,设备成本和功耗远低于EUV。日本厂商佳能已在存储芯片领域推动NIL的量产应用,虽然分辨率尚无法与High-NA EUV抗衡,但在对线宽要求相对宽松的存储芯片市场,NIL已展现出成本竞争力。
电子束直写(EBL)则走了一条截然不同的路径。电子束光刻本质上是一种直接写入技术,利用聚焦电子束在抗蚀剂上逐点曝光,通过电磁控制精确描绘图形。这种方式不依赖掩模,在设计频繁迭代的研发阶段非常有优势,尤其适合量子器件、新型材料结构、原型芯片以及掩模制作等场景。
但目前为止,电子束光刻长期存在于科研和小规模应用领域,其原因并不在于分辨率,而在于效率。电子束直写属于串行曝光,即使单点精度很高,整体吞吐能力仍然受限,这在晶圆级量产中是难以接受的。但在研发阶段,这一“慢”的特性反而换来了极高的灵活性。对于需要反复修改版图、验证物理模型或探索新器件结构的研究团队来说,省去掩模制作流程往往比提高曝光速度更重要。
如今,EUV越来越像一个跑了很久的老将。技术瓶颈是真,但ASML围绕它二十年织成的那张生态网也是真。新选手想上场,光自己跑得快没用——还得让整条赛道都跟着它改规则。
马斯克的TeraFab计划,本质上是一场豪赌:赌FEL能够从实验室走向晶圆厂,赌“即插即用”的光源替换能绕开ASML的专利壁垒,赌1太瓦的算力需求足以支撑一条全新的供应链。
下一代光刻技术该怎么走,答案或许不会太远。但可以确定的是——当马斯克把“FEL FTW”打在社交平台上时,光刻机这门生意,已经不再是ASML一个人的游戏了。
本文来自微信公众号“半导体产业纵横”(ID:ICViews),作者:丰宁
