光刻機賽道，闖入一個意外選手

2026年的春天，馬斯克正式揭曉TeraFab芯片制造大計。他的理由十分簡單：SpaceX與特斯拉未來至少需要1太瓦的算力，而這一規(guī)模，超過當前全球芯片供應(yīng)能力的10倍。

隨后在這個月，他似乎下了一個更大的賭注：進軍光刻機。

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TeraFab，盯上光刻機了

有博主發(fā)布消息稱，從TeraFab發(fā)布的消息看來，Elon Musk似乎要搞FEL（Free electron laser：自由電子激光器）路線，顛覆傳統(tǒng)EUV的壟斷。

馬斯克本人隨后在社交平臺發(fā)文“FEL FTW”（FEL必勝），被外界視為對這一推測的側(cè)面印證。結(jié)合TeraFab細長的廠房設(shè)計及馬斯克的表態(tài)，F(xiàn)EL技術(shù)路線成為當前最熱門的猜想方向。按照此前規(guī)劃，TeraFab 將打造一座一體化芯片制造基地，同時生產(chǎn)邏輯芯片和存儲芯片，并將光刻、封裝和測試等環(huán)節(jié)全部整合到同一座工廠內(nèi)。

無獨有偶，去年7月，半導體初創(chuàng)公司xLight宣布完成4000萬美元B輪超額認購融資。此次融資將重點投入FEL的研發(fā)，目標是突破現(xiàn)有EUV光刻技術(shù)的物理極限，為2納米及更先進制程芯片量產(chǎn)提供關(guān)鍵光源支持。值得注意的是，去年3月，英特爾前CEO帕特·基辛格在LinkedIn平臺上發(fā)布博文稱，其已經(jīng)加入了 xLight 擔任執(zhí)行董事長。

一時之間，F(xiàn)EL技術(shù)本身的特性引發(fā)業(yè)內(nèi)熱烈討論。

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FEL，給EUV換一種解法

在整個 AI 芯片供應(yīng)鏈中，荷蘭 ASML 是目前全球唯一能造EUV設(shè)備的公司，占據(jù)了超九成的光刻設(shè)備市場份額。

該公司的EUV光刻機便是采用激光等離子體EUV光源（LPP），其原理是通過30kW功率的二氧化碳激光器轟擊以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出的錫金屬液滴，每滴兩次轟擊（即每秒需要10萬個激光脈沖），將它們蒸發(fā)成等離子體，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的EUV光線。

LPP技術(shù)雖成就了EUV光刻的商業(yè)化，但其固有的物理局限正隨著制程推進而加速放大。

首先是能量轉(zhuǎn)換效率的瓶頸。在上文的解釋中有一個關(guān)鍵詞：13.5nm波長。這意味著相比于當前主流DUV光刻機用的193nm光源，EUV的光源只有十五分之一，能夠在硅片上刻下更小的溝道。目前ASML主要采用美國Cymer公司的二氧化碳激光器激發(fā)錫等離子體產(chǎn)生13.5nm的極紫外光，該公司技術(shù)驅(qū)動激光器到錫等離子體的轉(zhuǎn)換效率達到 5.5%，再加上二氧化碳激光器自身的電光效率約 10%，以及收集鏡傳輸損失，實際從電網(wǎng)到晶圓的 EUV 光利用率普遍不到 0.5%。

其次是錫碎屑污染。等離子體產(chǎn)生過程中，高速濺射的錫離子和中性碎屑會持續(xù)沉積在極其昂貴的多層膜收集鏡表面，導致反射率下降、壽命縮短。

第三是功率的天花板。當前LPP-EUV光源已達到約600W的最大EUV功率。然而，為滿足2納米節(jié)點及以下的制造需求，所需的EUV功率需超過1.5千瓦，現(xiàn)階段500-600瓦規(guī)格的EUV主要依賴多重曝光來積累光子劑量從而抵消光源功率的短板。

今年2月，ASML宣布，計劃在2030年前，通過引入一種全新的、功率高達1000瓦的光源系統(tǒng)，將下一代的高數(shù)值孔徑EUV光刻機的生產(chǎn)效率提升50%。到2030年，單臺EUV設(shè)備的晶圓處理能力將從每小時220片提升至330片。

與 LPP 技術(shù)相比，F(xiàn)EL 不依賴等離子體轉(zhuǎn)換。FEL全稱自由電子激光器，整套光源系統(tǒng)由電子槍發(fā)射初始電子束，經(jīng)直線加速器（先進方案多采用超導直線加速器）將電子加速至接近光速。處于相對論狀態(tài)的高密度電子束進入周期性交變磁場構(gòu)成的波蕩器，電子在磁場作用下橫向周期性擺動并產(chǎn)生自發(fā)輻射；輻射光場持續(xù)調(diào)制電子束，促使電子形成以輻射波長為周期的微聚束，微聚束電子產(chǎn)生相干輻射并形成正反饋，輻射光強呈指數(shù)放大；配合種子注入等技術(shù)手段，系統(tǒng)可最終輸出波長穩(wěn)定的 EUV 光束。

因此，F(xiàn)EL 產(chǎn)生的極紫外光波長，被認為是下一代光刻的候選波段。該波段比當前 13.5 納米的 EUV 波長更短、接近軟 X 射線的區(qū)間。根據(jù)公開信息，xLight 的技術(shù)目標是在 2~7 納米的 Blue-X 波段（也稱“超越 EUV”波段）精確調(diào)諧。

并且，整條光路內(nèi)部不存在錫金屬液滴轟擊、等離子體濺射的過程，光路真空腔體不會產(chǎn)生金屬碎屑沉積。EUV-FEL 光源還可產(chǎn)生超過 10 kW 的高 EUV 功率，它可以同時為 10 臺EUV光刻機供超過1000W 的 EUV 功率，而不會對 Mo/Si 反射鏡面造成錫污染。

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光刻機的游戲規(guī)則，改寫了嗎？

剝開光刻產(chǎn)業(yè)的殼，可以看到三條清晰的技術(shù)軌跡：EUV的漸進式迭代、EUV的光源革新，以及非EUV的替代方案。三者并存，但EUV迭代仍是絕對主角，后兩者更像是棋局中的“變招”。

第一陣營：ASML的漸進式迭代，依然是絕對主角。

ASML依然牢牢掌控著主流賽道。今年第一季度凈銷售額88億歐元，凈利潤28億歐元；第二季度總凈銷售額93.26億歐元，凈利潤29.18億歐元。與此同時，ASML還在年內(nèi)第二次大幅上調(diào)全年業(yè)績指引，將2026年全年銷售額預測大幅提高至430億至450億歐元。

作為晶圓制造上游最核心的光刻機設(shè)備廠，ASML業(yè)績暴漲反映出的是整個科技產(chǎn)業(yè)正在上演的軍備競賽。其中亞馬遜、谷歌、微軟等巨頭在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域砸下數(shù)千億美元，引爆下游對高端AI芯片的龐大需求，包括邏輯、存儲在內(nèi)的晶圓廠加速擴產(chǎn)，將光刻機需求推向了白熱化。

產(chǎn)能擴張同樣激進。該公司計劃基于2026年約65臺低數(shù)值孔徑（Low NA）EUV的產(chǎn)能規(guī)劃之上，在2027年將產(chǎn)能提升30%，并正研究于2028年進一步提高30%的產(chǎn)能。同時，計劃基于2026年約130臺浸潤式DUV的產(chǎn)能規(guī)劃之上，在2027年將產(chǎn)能提升30%，并正研究于2028年再提高30%的產(chǎn)能。

High-NA EUV（高數(shù)值孔徑極紫外光刻機）是ASML的下一代“王牌”，其采用0.55數(shù)值孔徑光學系統(tǒng)，可實現(xiàn)8納米分辨率，支持3納米及以下制程工藝，并為1納米節(jié)點提供技術(shù)儲備。該設(shè)備通過單次曝光使電路刻蝕精細度提升1.7倍，成像對比度提高40%，晶體管密度達到前代系統(tǒng)的2.9倍，有效降低芯片功耗并提升運算速度。

不過，由于單臺High-NA EUV設(shè)備造價約4億美元，近乎傳統(tǒng)EUV光刻機的兩倍，且產(chǎn)線適配整合存在極高技術(shù)難度，因此High-NA EUV的應(yīng)用情況并不是很理想。臺積電負責業(yè)務(wù)開發(fā)及全球業(yè)務(wù)的資深副總經(jīng)理兼副聯(lián)席COO張曉強在年度技術(shù)論壇前的記者會上向媒體透露，公司目前沒有計劃部署 ASML 專為下一代處理器設(shè)計的High-NA EUV設(shè)備。

第二陣營：光源革新——精準打擊ASML的“心臟”。

這就是馬斯克TeraFab和xLight選擇的FEL路線。不正面挑戰(zhàn)ASML在光學整機上的統(tǒng)治力，而是在光源環(huán)節(jié)尋找突破口。這意味著芯片制造商無需對現(xiàn)有光刻、刻蝕、沉積、檢測等配套設(shè)備做大面積更換，只需替換光源系統(tǒng)即可獲得顯著的產(chǎn)能和成本改善——這種"即插即用"式的升級路徑對晶圓廠而言極具吸引力。

xLight 宣稱，其 FEL 系統(tǒng)的功率是現(xiàn)有系統(tǒng)的 4 倍以上，在美國現(xiàn)有晶圓廠部署 xLight FEL 可將生產(chǎn)效率提高 50%，并消除對錫或氫等耗材的需求；而在新建晶圓廠部署 xLight FEL 可將生產(chǎn)效率提高 100%。這將使生產(chǎn)商能造出特征尺寸更小、效率更高的芯片，以此擴展下一代光刻技術(shù)。

倘若光源可以被獨立替換，ASML的議價權(quán)就會被結(jié)構(gòu)性削弱。但值得注意的是，ASML早在十年前就考慮過FEL EUV光源路線，但最終認為風險偏高，而走向了LPP EUV光源。因此，F(xiàn)EL的量產(chǎn)問題能否被攻克、何時被攻克，或許還需時日探究。

此外，還有其他光源路線。比如成立于 2022 年的舊金山初創(chuàng)公司 Substrate 選擇了基于粒子加速器的 X 射線光刻路徑。中國也在推進自主 EUV 光源技術(shù)。據(jù)公開消息，國內(nèi)多個團隊正在探索不同技術(shù)路徑，包括對現(xiàn)有 LPP 技術(shù)的逆向研發(fā)，目標是在 2028 至 2030 年間實現(xiàn)突破。

其中，哈爾濱工業(yè)大學等機構(gòu)嘗試開發(fā)基于激光誘導放電等離子體（LDP）的光刻方案，原理是在電極間將錫蒸發(fā)后通過高壓放電激發(fā)等離子體，結(jié)構(gòu)比 LPP 更簡單、占地更小，但發(fā)光功率密度有限，能否支撐量產(chǎn)仍存疑。

第三陣營：完全繞過EUV的非傳統(tǒng)方案，正在暗處生長。

納米壓印光刻（NIL）是其中商業(yè)化進展最快的一條。通過物理模板直接壓印圖案，NIL無需復雜的光學系統(tǒng)和光源，設(shè)備成本和功耗遠低于EUV。日本廠商佳能已在存儲芯片領(lǐng)域推動NIL的量產(chǎn)應(yīng)用，雖然分辨率尚無法與High-NA EUV抗衡，但在對線寬要求相對寬松的存儲芯片市場，NIL已展現(xiàn)出成本競爭力。

電子束直寫（EBL） 則走了一條截然不同的路徑。電子束光刻本質(zhì)上是一種直接寫入技術(shù)，利用聚焦電子束在抗蝕劑上逐點曝光，通過電磁控制精確描繪圖形。這種方式不依賴掩模，在設(shè)計頻繁迭代的研發(fā)階段非常有優(yōu)勢，尤其適合量子器件、新型材料結(jié)構(gòu)、原型芯片以及掩模制作等場景。

但目前為止，電子束光刻長期存在于科研和小規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域，其原因并不在于分辨率，而在于效率。電子束直寫屬于串行曝光，即使單點精度很高，整體吞吐能力仍然受限，這在晶圓級量產(chǎn)中是難以接受的。但在研發(fā)階段，這一“慢”的特性反而換來了極高的靈活性。對于需要反復修改版圖、驗證物理模型或探索新器件結(jié)構(gòu)的研究團隊來說，省去掩模制作流程往往比提高曝光速度更重要。

如今，EUV越來越像一個跑了很久的老將。技術(shù)瓶頸是真，但ASML圍繞它二十年織成的那張生態(tài)網(wǎng)也是真。新選手想上場，光自己跑得快沒用——還得讓整條賽道都跟著它改規(guī)則。

馬斯克的TeraFab計劃，本質(zhì)上是一場豪賭：賭FEL能夠從實驗室走向晶圓廠，賭“即插即用”的光源替換能繞開ASML的專利壁壘，賭1太瓦的算力需求足以支撐一條全新的供應(yīng)鏈。

下一代光刻技術(shù)該怎么走，答案或許不會太遠。但可以確定的是——當馬斯克把“FEL FTW”打在社交平臺上時，光刻機這門生意，已經(jīng)不再是ASML一個人的游戲了。