近日,Center for Security and Emerging Technology (CSET) 发布了一份名为《Tracing the Emergence of Extreme Ultraviolet Lithography: Lessons for Identifying, Protecting, and Promoting the Next Emerging Technology》的报告。这份报告深入分析了极紫外光刻技术(EUV)的发展历程,探讨了该技术如何从一个概念逐步发展成为支撑现代半导体产业的关键技术,并为政策制定者提供了识别、保护和推动未来新兴技术的重要启示。报告指出,EUV技术的成熟是学术界、工业界和政府机构数十年合作的结果,其中包含了丰富的案例和数据,对理解和把握新兴技术的发展规律具有重要价值。
这份报告详细回顾了EUV技术从最初的基础研究到最终商业化的过程,分析了其中的关键技术挑战、国际合作、资金投入和政策支持等方面。通过深入研究EUV技术的发展历史,报告为政策制定者提供了宝贵的经验和教训,帮助他们更好地识别和支持那些有潜力成为未来经济增长点的新兴技术。同时,报告也强调了在全球化背景下,国际合作对于推动技术创新的重要性,以及在保护关键技术时需要考虑的复杂因素。
在过去的十年中,极紫外(EUV)光刻技术作为半导体行业最重要的技术突破之一,被誉为"拯救摩尔定律的机器"。EUV光刻技术使得现今最尖端的人工智能芯片、智能手机、自动驾驶系统和高性能计算机中的半导体得以制造。荷兰公司ASML成为EUV机器的唯一供应商,赢得了长达30年的竞争,确立了在全球最前沿半导体制造工具销售上的垄断地位。
EUV技术的发展并非一蹴而就,其背后是一个由学术界、政府和工业界共同参与的多十年的宏大项目。从1980年代开始,面对日本企业的崛起和两国政府的重大干预,美国半导体行业就开始探索下一代光刻光源。EUV技术的出现,代表了半导体行业在遵循摩尔定律的历程中的一系列技术成就中的最新创新。
EUV光刻技术的工作原理是使用高功率激光器每秒将50000滴锡(每滴直径30微米)气化,产生极紫外光。由于EUV光被空气和玻璃吸收,因此需要在真空室内通过一系列几乎无瑕的镜子引导这种光线,通过掩模照射到硅片上。这个过程为当今最尖端的半导体制造了超细的电路图案。
ASML公司的成功并非偶然,其背后是全球5000家供应商提供的10万部件、3000根电缆、40000个螺栓和两公里的软管所构成的EUV设备。这个设备重达180,000公斤,需要通过40个集装箱、20辆卡车和三架货机运输。ASML公司仅内部制造了EUV设备的15%,其余部分则通过与全球公司的战略合作来采购最高质量的组件。
然而,EUV技术的发展并非没有挑战。在技术发展的早期,研究者们面临了巨大的技术障碍和怀疑。例如,1986年,AT&T贝尔实验室的员工向美国政府提出,软X射线激光器与多层反射器结合,可以作为实用的下一代光刻工具。然而,这个提议受到了"极其负面"的评审,评审者甚至表示,"对于硅集成电路来说,打印0.1微米的特征...永远不需要。"
尽管如此,研究者们并没有放弃。到了1992年,英特尔CEO安迪·格鲁夫批准了2亿美元的公司内部研发投资用于EUV光刻技术。随后,美国的国家EUV光刻计划在1994年启动,由LLNL、SNL、LBNL和AT&T贝尔实验室的研究人员组成,由DOE资助,由DARPA、DOE和行业代表组成的技术咨询小组指导。
EUV技术的发展也反映了过去CSET分析中观察到的许多新兴技术主题。几十年来,学术界、工业界和政府之间的研究合作一直在进行,推动了材料科学、等离子体物理和化学等相关技术的进步。这些进展以期刊文章发表、专利申请和会议记录的形式记录下来。随着时间的推移,特定的技术将从政府实验室转移到私营部门,通常是通过为解决技术难题而形成的公私合作伙伴关系和联盟。最终,私人公司将评估市场机会,进行投资以提高技术的成熟度,与客户合作,并使技术商业化。政府的支持在这一过程中始终至关重要。
对于政策制定者和半导体行业来说,仔细研究支持EUV发展的研究社区特别相关。EUV研究始于1980年代,当时美国半导体行业正试图抵御日本企业的崛起,同时双方都有重大的政府干预。与此同时,该行业认识到,为了维持摩尔定律,制造未来先进的芯片将需要新一代的光刻光源。类似的情况今天也存在,美国、欧洲和亚洲的政策制定者都在进行一代人一次的努力,以保护和促进他们各自的半导体产业,而中国的公司则试图挑战行业领导者。与此同时,整个半导体行业都认识到了一个缓慢发展的存在的危机:必须通过相应的计算能力的快速进步来维持人工智能的快速发展。然而,摩尔定律的终结已经可见,甚至连EUV也无法拯救它。
EUV技术的发展为政策制定者提供了重要的教训,他们有兴趣识别当今有前景的技术。它展示了学术研究如何转化为科学进步,政府和企业实验室的作用,国际研究合作如何加速创新,公私合作伙伴关系的力量,以及大量耐心的私营部门资本的需求。本文通过编目这一多十年的创新路径,识别了沿途的拐点、信号和子创新。基于这些发现,本文最后介绍了一组标准,政策制定者在尝试识别未来新兴技术时可以使用。
ASML这家荷兰公司将在美国国家实验室生态系统中开创并在很大程度上由英特尔资助的技术商业化,对于有兴趣保护和促进下一个新兴技术的政策制定者来说,也有重要的教训。国际合作在新兴技术上是不可避免的,这种合作的护栏带来了权衡。投资是创新资金的重要来源,然而战略性收购可以根本改变高度整合行业的竞争力动态。最后,新兴技术供应链在私营部门的发展和成熟,其动机是利润和可靠性,而不是地缘战略竞争力。EUV工具被垄断,但EUV研究社区和基础供应链是全球化的。
EUV技术的发展是一个跨越几十年的复杂过程,涉及学术界、政府和工业界的紧密合作。从最初的基础研究到技术演示,再到应用研究和技术发展,以及随后的行业主导的技术成熟和商业化,每一步都充满了挑战。然而,正是这些努力汇集在一起,推动了EUV技术从一种有前景的新兴技术发展成为实现当今最先进半导体制造的关键机制。这个过程不仅展示了合作的力量,也提醒我们,在面对技术发展的不确定性时,持续的投资、合作和创新精神是推动突破的关键因素。
这篇文章的灵感来自于《Tracing the Emergence of Extreme Ultraviolet Lithography》这份报告。除了这份报告,还有一些同类型的报告,也非常有价值,推荐阅读,这些报告我们都收录在同名星球,可以自行获取。
