解讀《晶片戰爭》：世界上最複雜的機器「EUV曝光機」，為什麼只有ASML做得出來？

文：李元魁

背景知識

2000年代，解讀晶片機為大家常把半導體分成三類：

1. 邏輯晶片：用來驅動智慧型手機、戰爭電腦和伺服器的世界上最什麼心臟。

2. 記憶體晶片：DRAM和快閃記憶體（NAND）。複雜

• DRAM提供電腦運行所需的曝光短期記憶。
• NAND則是出來長時間記憶資料。

3. 廣泛類型的解讀晶片機為晶片，像是戰爭：

• 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。世界上最什麼
• 管理設備用電方式的複雜半導體：確保設備有效且安全地使用電力。

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

格芯：從AMD分出去的解讀晶片機為晶圓代工廠。

前情提要

幫大家重溫一下重點項目，戰爭上一篇提到，世界上最什麼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。

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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。

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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至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：

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）。

超複雜的機器：EUV曝光機

（配圖來源：ASML）作者製作提供

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曝光機如此困難。

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曝光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）

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曝光機的出現，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

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回地球的高爾夫球上了，看這個有多困難。

作者製作提供

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