工業技術研究院

摩爾定律原本就要成為過去式，直到荷蘭一家小公司打破物理極限，成功逆轉局勢。

魏倫（Patrick Whelan）穿著一身無塵室防護衣，透過面罩看著製程情況。

在他眼前是一塊發亮的玻璃，約莫烤箱大小，但為了減輕重量，許多部位已經被挖空，看起來彷彿外星圖騰。魏倫的工作團隊把玻璃黏貼到咖啡桌大小的鋁塊。玻璃和鋁塊經過幾星期的拋光，去除細微瑕疵，如今顯得異常光滑。接下來24小時，隨著黏著劑逐漸凝固，工作人員會幾近偏執地監測玻璃與鋁塊的位置，確保兩者密合。

「密合的精準度要到微米，」魏倫邊指著設備邊對我說。

此時附近的技術人員擔心他靠得太近，吆喝了一聲：「後退！」

「我沒碰到，我沒碰到！」魏倫笑著回應。

「精準度」在這裡並非兒戲。我來到荷蘭公司艾司摩爾（ASML）位於康乃狄克州威爾頓鎮（Wilton）的無塵室，這家公司生產全球最精密的微影製程（Lithography）機台，是生產微晶片的電晶體、金屬線與其他關鍵零組件時，不可或缺的製程環節。這是眾家必爭的機台，一台要價高達1.8億美元，能夠迅速生產最小只有13奈米的微晶片元件。這般精準度很重要，因為客戶是英特爾或台積電等龍頭大廠，無不希望製造出全球速度最快的高階電腦處理器。機台最後會在荷蘭總公司組裝完成，有一輛小巴士的大小，裝有10萬個彼此連動的微型機制，其中一個系統以雷射光轟擊融化後的錫滴，每秒照射5萬次，藉此產生特定波長的高功率紫外線。整台機具需要動用到4架波音747飛機才有辦法運送給客戶。

「這是很高難度的技術，複雜度可比曼哈頓計畫（Manhattan Project；美國在二戰時的原子彈研發計畫），」英特爾（Intel）微影製程主任史瓦庫馬（Sam Sivakumar）說。

在威爾頓廠，魏倫與團隊所打造的玻璃金屬模組尤為關鍵，接下來上面會有生產微晶片的必要圖案，快速反覆來回，由機具照射極紫外光（EUV）在上頭，照亮晶片圖案的不同部位。極紫外光接著反射到餐盤大小的晶圓，將線路圖案蝕刻到位。

魏倫走到一台視訊監視器前，從畫面可以看見一個玻璃金屬裝置來回移動，同時進行測試。該模組重達30公斤，但移動飛速。

「它加速的時間比戰鬥機更快，如果有東西鬆動了，會飛射出來，」短鬍子與眼睛都被防護衣遮住的魏倫表示，裝置還必須停在一個只有奈米大小的點上。「也就是說，全世界最快的設備之一要停在面積最小的一點。」

又快又準，正是維持摩爾定律（Moore’s Law）不墜的關鍵所在。摩爾定律是指，隨著元件日益縮小，微晶片上的電晶體數量大約每2年增加1倍，連帶使得晶片的成本降低、性能增加。當電晶體裝得愈多，電信號在晶片移動的速度愈快。自1960年代以來，晶片廠大約每10年就改用波長更短的新光源，藉此微縮元件尺寸。但到了1990年代末，晶片廠的技術停留在波長193奈米的光源，對於未來要採何種技術亦爭論不休。在產業態勢日益嚴峻的背景下，晶片廠只好訴諸愈來愈複雜的設計與技術，才能維持摩爾定律，往後20年成功提升了晶片性能。

到了2017年，艾司摩爾推出立即可投入生產的EUV曝光機（又稱光刻機），使用波長只有13.5奈米的光源。有了這麼短的波長，晶片廠得以把更多電晶體塞在晶片裡，密度更勝以往技術。影響所及，中央處理器的運算速度更快、耗電量更低，或單純只是體積變小。第一代EUV微影技術的晶片已受到大公司如Google與Amazon的採用，用於改善語言翻譯、搜尋引擎結果、照片辨識，甚至是說話與書寫都異常有人性的人工智慧（例如GPT-3語言模型技術）。

這場EUV革命也逐漸影響一般消費者。使用艾司摩爾機台所生產的晶片，產品應用多元，包括蘋果旗下幾款手機與Mac電腦、超微半導體（AMD）處理器、三星Note10+手機等。待EUV曝光機日後逐漸普及，日常裝置的性能會更加精進、電力需求也會降低。EUV技術亦有助於簡化晶片設計，晶片廠得以加快製程，在每片晶圓生產更多晶片，進而節省成本，消費者便能從中受惠。

EUV微影技術能否成功，原本還是未定之天。由於極紫外光非常難操控，多年來專家們一直預估艾司摩爾研發不出來；艾司摩爾的競爭對手――佳能（Canon）和尼康（Nikon）甚至在幾年前就已經棄守這項技術。如今，艾司摩爾站穩市場山頭，晶片廠想要生產先進處理器，就必須借重它的機台，而艾司摩爾每年只生產55台EUV曝光機，讓晶片大廠趨之若鶩，目前整體產業已安裝了千餘台。

「摩爾定律基本上正在瓦解，沒有這款機台就不存在了，」市調機構CCS觀點（CCS Insight）研究部主任林韋恩（Wayne Lam）直言：「沒有EUV技術，根本做不出先進處理器。」

微晶片製程的關鍵技術被一家公司所壟斷，已經極為少見，但研發這項技術的辛苦過程更讓人咋舌。艾司摩爾投入17年時間與90億美元研發，不斷重複著測試、微調、突破的過程，終於打造出EUV技術，並證實有效。然而，這項技術耗費無數時間心力又姍姍來遲，讓人不禁要問：EUV技術能夠讓摩爾定律維持多久時間？未來又有何發展？

曾在飛利浦（Phillips）服務多年的班夏普（Jos Benschop）於1997年加入艾司摩爾，正值晶片產業對未來惶惶不安的時刻。幾10年來，晶片製造工程師已經精通微影技術。這項技術的概念很簡單，設計好晶片元件（金屬線與半導體），再蝕刻在一系列光罩（Mask），道理就像轉印圖案到T恤上的模版。接著將每個光罩放在矽晶圓上方，照射光線（相當於在轉印模版上噴漆）。光線導致阻劑（Resist）硬化，亦即晶圓表面的化學層，然後其他化學物質再將圖案刻進矽晶圓。1960年代，晶片廠運用可見光進行這個製程，波長最小達400奈米，後來改採波長為248奈米的紫外光，最終又降低到193奈米，也就是所謂的深紫外光。每次技術的升級，都讓摩爾定律再延續了幾年。

但到了1990年代末，晶片廠已經把深紫外光的波長縮到最小，不知如何進一步縮短，似乎有必要採取新的光源。此時的艾司摩爾還只是一家員工300人的小公司，銷售深紫外光曝光機有成，但它已體認到唯有深入研發，才有機會掌握市場脈動。

如今擔任主管職的班夏普身材高瘦，熱情又不失詼諧，是當初公司聘用的第一個研究人員。他出席1年2次的產業大型會議，來自晶片大廠與政府機關的專家正搓著下巴，爭論著未來應該使用哪一種光源。

「哪個才是新寵兒？」班夏普今年夏天接受本刊視訊訪問時說，與會產業專家考量幾種選項，每個都存在重大問題。像是噴灑離子，在晶片上畫出圖案，這項技術雖然可行，但沒有人知道如何大規模快速進行；發射電子束也是同樣的情況；有些專家主張使用波長很短的X光，但X光也不乏技術瓶頸；最後一個構想是EUV光，波長最短可以達13.5奈米，接近X光波長，看起來最有望成真。

問題是，EUV光需要全新技術的曝光機。既有機台使用傳統玻璃透鏡，將光線聚焦在晶圓上，但EUV光會被玻璃吸收，完全無法作用。想要聚焦，就必須研發出類似用於太空望遠鏡的曲面鏡。更棘手的是，EUV光還會被空氣吸收，因此機台內部必須完全真空。此外，還要能穩定產生EUV光，但沒有人知道要怎麼做到這點。

英特爾與美國能源部都曾經試探這個構想，但大多只停留在實驗階段。為了打造實際可行的曝光機，艾司摩爾必須研發出能夠迅速大量生產晶片的可靠技術。經過3年的深思熟慮後，艾司摩爾在2000年決定孤注一擲，專攻EUV技術。公司雖然小，但如果研發成功，就能轉型成產業領頭羊。

班夏普回憶道，當初有太多工程問題有待解決，「我們沒有全靠自己來的實力。」有鑑於此，艾司摩爾管理層先後致電給既有機台的零組件供應商，其中一通電話就是打給多年來為艾司摩爾生產玻璃透鏡的德國光學技術業者蔡司（Zeiss）。

蔡司的工程師不乏EUV技術的經驗，包括生產X光望遠鏡用的高精準透鏡與反射鏡，但現在的技術難度在於如何在EUV反射鏡塗上矽與鉬交替的薄膜，每層厚度只有幾奈米。矽層與鉬層結合形成圖案，足以反射高達7成的EUV光。

更大的問題是如何拋光。曝光機最終需要11個鏡面反射EUV光，聚焦在晶片上，就好比有11個人打乒乓球，輪流傳球，最後打在一個目標點。由於目標是要蝕刻出以奈米為單位的元件，每個反射鏡必須要光滑到令人匪夷所思的地步，只要有一丁點的瑕疵，EUV光子就會走偏。

舉例說明瑕疵的比例，如果把浴室鏡子放大到德國面積大小，鏡面可以看到大約5公尺高的突起物。拿蔡司當時既有最平滑的EUV反射鏡比較，要是同樣把它放大到德國大小，突起物只有2公分高。而艾司摩爾的鏡面光滑度必須高出更多，如果鏡片有德國面積大小，最大的瑕疵不到1公釐高，「這些是全世界最精準的鏡面，」在蔡司負責研發次世代EUV光學元件的克茲（Peter Kürz）說。

蔡司的工作有很大一部分在檢查鏡片有無瑕疵，接著使用離子束敲下個別分子，逐漸形成平滑表面，過程費時數月。

當蔡司還在反射鏡研發階段時，班夏普與其他艾司摩爾供應商則在設法克服另一個重大挑戰：研發出能夠穩定生成EUV光的光源，而這個挑戰多年來讓他們百思不得其解。

要產生EUV光，必須先產生電漿，這是種只存在於極高溫的物質狀態。他們在早期實驗中以雷射脈衝轟擊鋰，藉此產生EUV光，後來因為錫有更大的爆裂量，又改用錫。

到了2000年代初，艾司摩爾陸續與聖地牙哥公司西蒙科技（Cymer）和德國雷射公司創浦（Trumpf）合作，打造出機關重重的的裝置。其中有個加熱容器，讓錫維持在液態。容器連接到噴嘴，射出錫滴，「直徑只有頭髮粗細的三分之一，」艾司摩爾的澳洲籍技術研發部副總裁布朗（Danny Brown）表示，當錫滴被射到機台底部，攝影系統會追蹤進度。錫滴到達發光槽的中心時，會被雷射脈衝轟擊，產生克氏（K）50萬度的高溫，氣化成發出EUV光的電漿。艾司摩爾的機台重複這個過程，射出並轟擊錫滴，每秒5萬次。

「只能說不簡單，」布朗淡淡地說。

儘管能夠產生EUV光了，布朗和團隊很快又發現新的問題：錫滴氣化後的離子會阻塞光學元件。他們發現，可以把氫氣打進發光槽，讓氫氣與錫離子產生反應，就能把離子清乾淨。

即便如此，他們的工作進度大幅落後。班夏普原本預估2006年前就能「大量」製造出EUV曝光機，但那時只做出2台原型機，雖然運作順暢，蝕刻圖案的精細度高出傳統微影機台，但速度卻牛步般緩慢。光源還是太微弱；每一顆光子在微影製程中都很重要。光子濃度愈高，圖案蝕刻到矽晶圓的速度就愈快。

在此同時，機台結構愈來愈複雜。有機器手臂移動晶圓；有馬達以32倍重力加速度移動光罩（亦即有圖案的大片玻璃）；有10萬個零件、3,000條電線、40,000個螺栓；有2公里長的軟管。更麻煩的是，所有零件彼此關聯，這個零件動起來，另一個零件可能出問題。比方說，EUV光產生的熱氣會改變反射鏡的尺寸，變化極其細微，於是蔡司與艾司摩爾只好研發出能夠檢測任何變動的感測器，一有變動就開啟軟體，使用高精準制動器調整反射鏡位置。

「我們解決完一個問題，又繼續處理另一個問題，」班夏普形容：「爬過一個山頭後，發現下一座山更高。」

微晶片產業有許多人看到艾司摩爾的進度一再落後，以為他們做不成了。「有95%的投資人覺得EUV技術絕對不可能成功，」任職於投資顧問公司Evercore的半導體產業分析師姆斯（C.J. Muse）說。

努力改良EUV技術的同時，艾司摩爾與同業也持續琢磨既有技術，希望盡量延長深紫外光的效能，把更多電晶體塞進晶片裡。像是有項技術稱為浸潤式（Immersion）微影，把一層純水放置在晶片表面，藉此將入射光線折射，讓光線聚焦在更小的圖案。微影技術工程師還研發出稱為「多重圖案化」（Multiple Patterning）的新技術，能夠多次轉印圖案到晶片層，並加以蝕刻，藉此形成更精密的細節。拜這些技術之賜，晶片元件成功縮小到20奈米。

然而，這些稀奇古怪的創新技術也導致晶片製程更加繁複。浸潤式微影需要在精細製程控制水量，並不容易；晶片設計人員為了配合多重圖案化技術，必須辛苦改變設計。深紫外光技術已經走到尾聲，大家心知肚明。

但到了2010年代中期，逐漸有跡象顯示，EUV終於可能扮演起拯救產業的角色。布朗與團隊深入研究科學文獻，希望能找到讓錫滴發揮更多作用的方法。曾在大學研究電漿物理學的布朗，在艾司摩爾內部是出了名地喜歡提出艱深的科學問題。公司技術長還曾經開玩笑地送他一個名牌，上頭寫著「科學上精準，實際上沒用」。

但這一次不同，鑽研科學文獻還是有用的。研究指出，可以用雷射轟擊每顆錫滴2次，第一次把錫滴打平成薄餅形狀，百萬分之一秒後轟擊第二次，產生更多EUV光。布朗的團隊於是研究出大規模轟擊的方法。

其他發現則是純屬巧合。隨著轟擊錫滴的技術逐漸改善，過程產生愈來愈多碎片，氫氣來不及清除，反射鏡的性能亦逐漸降低。但他們有天發現一件好笑的事：打開機台維修時，反射鏡的衰退速度反而變慢，原來空氣中的氧氣有助於逆轉汙染現象。艾司摩爾於是調整設計，讓機台偶爾加進小量氧氣。

到了2017年年中，艾司摩爾終於打造出展示原型，蝕刻晶片的速度符合產業需求：每小時125片晶圓。布朗坐在聖地牙哥辦公室裡，看著荷蘭總公司的展示，他心情大好，已事先換上夏威夷襯衫，宣布說他終於可以度假了。

「機台發出滋、滋、滋的聲響，」他模仿起光罩迅速移動的狀況，機械手臂大約每30秒就送進1片新晶圓，「當時它就像最後一塊骨牌，讓大家相信EUV微影技術終於要成真了。」

同年，艾司摩爾的機台終於開始出貨，踏出改造晶片製程的第一步。當市場意識到艾司摩爾在這項尖端設備占有壟斷地位，它的股價開始飆漲，一度高達549美元，公司市值直逼英特爾。

如果各位跟我一樣同是機器迷，看到這座機台肯定目不轉睛，讚嘆它有如工程奇蹟。造訪威爾頓廠時，他們帶我去看一個銑削過的超大型鋁塊，8呎長、6呎寬、2呎厚，是曝光機的上半部。它閃閃發光，彷彿太空船底座，有玻璃光罩，上頭還安裝了幾個龐大的桶狀分子泵。每個分子泵內建微型葉片，每分鐘轉速達3萬轉，抽出機具內所有氣體，形成真空狀態。「這些分子泵把氣體一個分子、一個分子地打出去，」魏倫說。

有人會說，艾司摩爾之所以成功，主因不在於製造機台，而是測量機台的堅強實力。脫下防護衣後，我前去參觀機械工廠，看到一大塊、一大塊玻璃經過切割，準備製成光罩。每片玻璃經過銑削後，再放置於拋光機，進行長達幾週、幾百個小時的拋光過程。該工廠主任卡波里諾（Guido Capolino）說，他們會不斷測量玻璃，監測去除了多少瑕疵，先從相對粗糙的微米下手。

卡波里諾指向身後的拋光機，可以看到幾片玻璃在拋光混合液慢慢旋轉。「我們的製程可變性到達埃米和納米的細節，」他說。玻璃是光罩的關鍵零組件，受熱時不容易像金屬一樣變形。但玻璃極不容易切割，這為工程師再添一個必須慢慢解決的挑戰。

艾司摩爾研發EUV機台有成，贏得微晶片產業的高度敬重。目前在晶片軟體公司Fractilia擔任技術長的麥克（Chris Mack），在晶片微影技術的經驗長達40年，他認為，艾司摩爾與合作夥伴的成功之道在於「敢別人所不敢，然後努力不懈」。

「他們就像在剝洋蔥，剝了這一層，發現有下一層，就繼續剝下去。沒有人真的知道洋蔥心是爛的，還是好的，大家只是一直剝下去，從來不放棄，很了不起，」麥克說。

元件得以繼續微縮化之後，英特爾、台積電與三星等大廠如今可以生產更快、更節能的晶片。「我們的設計人員可以鬆一口氣了，」英特爾的史瓦庫馬（Sam Sivakumar）說：「摩爾定律有救了。」

隨著更多EUV曝光機出貨、成本攤銷，這項技術的應用面將日益普及，出現在愈來愈多的日常裝置。中國大陸是唯一無法從EUV革命受惠的國家，至少短期是如此。

川普與拜登政府都擔心中國大陸的科技實力構成威脅，已成功施壓荷蘭政府，禁止艾司摩爾銷售EUV曝光機給中國大陸的客戶。

既然如此，中國大陸有辦法自己生產EUV曝光機嗎？有些產業觀察人士認為，答案是否定的。艾司摩爾之所以能成功研發出EUV曝光機，需要多家企業密切合作，這些企業來自德國、美國、日本等等，後者供應微影光罩的關鍵化學品。喬治城大學（Georgetown University）安全與新興科技中心（Center for Security and Emerging Technology）分析師杭特（Will Hunt）指出，中國大陸相對孤立，光靠自己的力量很難成功。「中國大陸沒辦法縮小技術差距，」他說。

其他觀察人士則表示，中國大陸有可能延後購買EUV曝光機。姆斯說，中國大陸晶片廠通常使用上世代設備，比起臺灣台積電、韓國三星與美國英特爾落後一步。幾年過後，等到艾司摩爾的第一代EUV曝光機不再先進，整體產業開始改採次世代機種，中國大陸才可能有機會採購第一代設備。

事實上，艾司摩爾已經在改良機台，新機種將採取高數值孔徑的技術，能以用更尖銳的角度聚焦EUV光，蝕刻出不到10奈米寬的元件。「高數值孔徑」EUV曝光機的反射鏡更大，所以整台機具的體積也要更大。英特爾目前是次世代機型的第一家客戶，預計在2025年銷售使用這項技術生產的晶片。

艾司摩爾與多數觀察人士認為，EUV技術有助於推動晶片進展到至少2030年，甚至更久。畢竟，晶片設計廠之前想出一些技術延長深紫外光的應用，在EVU技術應該也能如法炮製。

然而，未來10年總有那麼一天，晶片產業會開始面臨比目前更難以突破的物理限制，無法再縮小元件，「量子問題」會首先浮現。其實現在當晶片廠使用艾司摩爾的EUV曝光機後，就面臨「隨機誤差」的問題，亦即EUV光自然會走偏，在晶片上形成錯誤圖案。目前問題雖然不大，但在晶片廠愈來愈走微型化路線的背景下，未來將成為隱憂。

假設「高數值孔徑」技術能讓摩爾定律持續到2030年，接下來哪種技術會成為主流呢？產業專家認為，艾司摩爾將繼續研發數值孔徑更高的設備，將EVU光聚焦在愈來愈小的點。同時，晶片設計廠正在設法精進不需要進一步微型化的晶片，例如疊加晶片層，藉此向上延伸架構，達到晶片立體化。至於EUV會被哪一種微影技術所取代，沒有人知道。史瓦庫馬不願臆測；麥克則表明，除了高數值孔徑EUV技術之外，「沒有其他技術」正處於密集研發階段。

在威爾頓廠的無塵室裡，魏倫帶我一瞥高數值孔徑EUV曝光機的樣貌。他打開一個有如車庫門的大捲門，帶著我進到一間龐大的新無塵室，面積有一個足球場的大小。角落有一座發亮的鋁製光罩台，外觀就像先前那座EUV光罩機的光罩台，只是已經放不太進客廳大小的空間。它幾乎跟地鐵車廂一樣大，重量整整有17噸。他們在屋頂裝了起重機才有辦法安裝。

「這個機台……」魏倫說：「未來可以讓我們維持摩爾定律不墜。」