在半導體業中,蘋果不是唯一一家供應鏈極其複雜的公司。到了2010年代末期,荷蘭的微影成像公司ASML已花了近20年的時間,試圖讓極紫外光(EUV)微影成像技術發揮作用。要做到這點,需要在世界各地尋找最先進的元件、最純的金屬、最強大的雷射、最精確的感測器。EUV可說是這個時代最大的科技賭注之一。2012年,在ASML產出可運行的EUV機台之前的好幾年,英特爾、三星、台積電都直接投資ASML,確保該公司有必要的資金繼續為自家未來的晶片製程開發出EUV機台。英特爾光是在2012年就向ASML投資了140億美元,那是英特爾有史以來押過最大的賭注之一。而且英特爾在那之前就在EUV投入了數十億美元的補助與投資,時間可溯及葛洛夫時代。
誠如一位參與專案的科學家所述,英特爾與其他的晶片公司組成一個聯盟,為了2「解決一個不可能的問題」,而向幾個美國的國家實驗室「提供感覺像無窮無盡的資金」。EUV微影成像設備(台灣俗稱曝光機)背後的概念,從那時開始到現在幾乎沒什麼改變。那個概念與萊斯羅普把顯微鏡顛倒過來,大致上是相同的:使用「光罩」擋住部分光線來轉印圖案,然後曝光到塗在矽晶圓的光阻劑上。光與光阻劑產生反應,於是可以沉積材料或蝕刻成完美的圖案,進而產出晶片。
萊斯羅普是使用簡單的可見光,以及柯達公司生產的現成光阻劑。如今則是使用更複雜的透鏡與化學物質,最終在矽晶圓上轉印出小至幾百奈米的圖案。可見光本身的波長是幾百奈米,視顏色而定,所以隨著電晶體愈來愈小,最終會達到極限。晶片業後來改用波長為248奈米與193奈米的不同類紫外線。這些波長可蝕刻的圖案比可見光精確,但它們也有極限,因此業界又把希望寄託在波長為13.5奈米的極紫外光上。
使用EUV帶來了幾乎不可能解決的新困難。萊斯羅普是使用顯微鏡、可見光,以及柯達生產的光阻劑;相反的,所有關鍵的EUV元件都必須特製,你無法直接買到EUV燈泡。為了產生足夠的EUV,需要用雷射粉碎一個小錫球。西盟(Cymer)是加州大學聖地牙哥分校的兩位雷射專家創立的公司,自1980年代以來一直是微影成像光源領域的主要參與者。該公司的工程師發現最佳做法是發射一個直徑為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。然後以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。萊思羅普的微影成像技術只需要一個簡單的燈泡作為光源。從那時起,這個流程的複雜度已暴增到令人難以置信的程度。
不過,西盟的光源之所以能夠運作,是因為一種新的雷射功率足以粉碎錫滴。這需要一種比過去任何雷射都要強大的二氧化碳雷射器。2005年夏天,西盟的兩名工程師找上德國精密模具公司創浦(Trumpf),詢問它們能不能製造出這種雷射器。創浦當時製作的二氧化碳雷射器已是全球最好的,用於精密切割等工業用途。這些雷射器在德國的工業傳統中是機械加工的重要基礎。由於二氧化碳雷射器產生的能量中約80%是熱能,僅20%是光,從機器中抽出熱量是一大挑戰。創浦之前設計了一種附風扇的鼓風機系統,每秒旋轉一千次,因為速度太快而無法使用物理軸承。於是該公司學會使用磁鐵,讓風扇飄浮在空中,從雷射系統中3吸出熱量,又不會磨損其他元件而危及可靠性。
創浦在提供西盟所需的精確度與可靠性方面頗負盛名,而且有優良紀錄,但它能提供西盟需要的強度嗎?EUV需要的雷射器比創浦目前生產的雷射器強大許多。此外,西盟要求的精確度,也比創浦之前處理的任何東西還要精密。創浦提出一種由四個元件組成的雷射器:兩個低功率但對每個脈衝精確計時的「種子」雷射器,使雷射每秒可命中五千萬顆錫滴;四個諧振器,增加光束的功率;一個超精確的「光束傳輸系統」,把光束引導到30多米外的錫滴室;一個最終聚焦裝置,確保雷射4每秒直接命中數百萬次。
每一步都需要新的創新。雷射室中的特殊氣體必須維持在恆定的密度。錫滴本身會反光,可能會反射回雷射而干擾系統。為了避免這種情況發生,就需要特殊的光學裝置。該公司需要工業鑽石來提供「窗口」,讓雷射可以透過「窗口」離開雷射室,因此必須與合作夥伴一起開發新的超純鑽石。創浦花了10年克服這些挑戰,並產出有足夠功率與可靠性的雷射器。5每個雷射器都需要457,329個元件。
在西盟與創浦找到轟擊錫滴的方法,使它發出足夠的EUV以後,下一步是製造鏡子來收集光,並把光導向矽晶片。製造全球最先進光學系統的德國蔡司公司,早在珀金埃爾默與GCA的時代就為微影成像系統製造鏡子與透鏡。然而,過去使用的光學元件與EUV所需要的不同,兩者之間的差異就像萊斯羅普的燈泡和西盟轟擊錫滴系統之間的差別那麼大。
蔡司面臨的主要挑戰是EUV難以反射。EUV的13.5奈米波長比較接近X光線,而不是可見光。就像X光線那樣,許多材料會吸收EUV,而不是反射EUV。蔡司開始開發由100層鉬與矽交替製成的鏡子,每層都只有幾奈米厚。勞倫斯利佛摩國家實驗室的研究人員在61998年發表的一篇論文中指出,這是最佳的EUV反射鏡,但事實證明,打造這樣一面奈米級精度的反射鏡幾乎是不可能的事。最終,蔡司製造出有史以來最光滑的鏡子,雜質幾乎小到難以察覺。蔡司表示,如果把EUV系統中的反射鏡放大到德國那麼大,其最大的不規則度僅0.1毫米。為了精確地導引EUV光,它們必須完全靜止不動,這需要非常精確的機械與感測器,蔡司號稱那些機械與感測器甚至可以導引雷射,7擊中遠在月球的高爾夫球。
對2013年接管ASML EUV事業的范霍特來說,EUV微影成像系統最關鍵的投入不是任何個別的元件,而是公司本身在供應鏈管理方面的技能。范霍特解釋,ASML設計這個商業關係網絡8「就像設計一台機器」一樣,形成一個由數千家公司組成的精心調整系統,能夠滿足ASML的嚴格要求。他估計,ASML本身只生產EUV機台的15%元件,其餘都從其他公司採購。這讓ASML可以取得全球最精密的產品,但也需要持續的監控。
ASML別無選擇,只能依賴單一來源提供EUV系統的關鍵元件。為此ASML深入瞭解供應商的供應商,以瞭解風險。ASML會投資某些供應商,例如在2016年支付10億美元9資助蔡司的研發流程。然而,ASML也要求這些公司必須遵守嚴格的標準。ASML的執行長彼得.溫寧克(Peter Wennink)對一家供應商說:「你們不守規矩的話,我們會10直接把你們的公司買下來。」這不是開玩笑。ASML評估後發現自己管理這些供應商的效果更好後,就乾脆收購了幾家供應商,其中就包括西盟。
如此衍生的結果是一台有數十萬個組件的機台,花了數百億美元及幾十年的時間才開發出來。而且更奇蹟的是,不僅EUV微影成像技術可行,它還可以可靠地運作,生產出符合成本效益的晶片。對EUV系統中的任何元件來說,極度可靠非常重要。ASML設定的目標是,每個元件在需要維修之前,11平均至少使用3萬個小時,也就是約4年。實務上,維修還是比較頻繁,因為不是每個元件都在同一時間損壞。每台EUV機台的成本超過1億美元,因此每台只要停機1小時,晶片製造商就損失數千美元的生產。
EUV機台之所以能夠運作,有部分要歸功於軟體。例如,ASML使用預測性維護演算法來預測元件何時需要在損壞之前先更換。它也用軟體做所謂的「運算微影成像」流程,以便更精確地轉印圖案。光波對光阻劑的反應有原子級的不可預測性,那也為EUV帶來了新的問題(以前的較大波長幾乎沒有這種問題)。為了調整光折射方式的異常,ASML機台曝光的圖案與晶片製造商希望印在晶片上的圖案是不同的。例如,要印一個X,需要用形狀完全不同的圖案,但是光波照在矽晶圓上時,12最終會產生一個X。
最終的產品(晶片)之所以能可靠地運作,是因為它們只有單一組成:一塊矽上覆蓋著其他金屬。晶片中沒有可移動的部件(除非你把內部快速移動的電子也算在內)。然而,生產先進的半導體,一直是依賴一些有史以來最複雜的機器。ASML的EUV微影成像設備,是史上最昂貴的量產機台。它極其複雜,用戶沒有接受ASML人員的廣泛培訓,根本不可能使用。在機台的整個生命週期,ASML的人員都會在現場。每個EUV掃描器的側邊都有一個ASML的標誌。但ASML欣然承認,該公司的專業其實是組織一個由光學專家、軟體設計師、雷射公司,以及許多其他人所組成的網絡,這些人的能力是實現EUV夢想所必需的。
要哀歎製造的外移很容易,就像葛洛夫生前那幾年那樣。美國的經濟民族主義者要是知道微影成像技術或EUV技術的歷史,發現荷蘭公司ASML把美國國家實驗室首創的一項技術加以商業化,而且主要還是由英特爾資助,肯定會氣得半死。然而,ASML的EUV機台並不是真正的荷蘭產品,雖然它們主要是在荷蘭組裝。關鍵元件是來自加州的西盟與德國的蔡司和創浦。即使是德國公司,也要依賴13美國生產的關鍵設備。重點是,這些神奇的機台是許多國家的產物,沒有一個國家能宣稱自己擁有一切。這個由數十萬個元件構成的機台,是許多國家的心血結晶。
葛洛夫把第一筆2億美元的資金投入EUV以前,曾問卡拉瑟斯:「這可行嗎?」經過30年及數十億美元的投資、一系列的技術創新,以及打造出世界上最複雜的供應鏈以後,到2010年代中期,ASML的EUV機台終於準備好部署在全球最先進的晶片製造廠了。