光刻機賽道，闖入一個意外選手

文章作者、來源：火星財經

2026年的春天，馬斯克正式揭曉TeraFab芯片製造大計。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，而這一規模，超過當前全球芯片供應能力的10倍。

隨後在這個月，他似乎下了一個更大的賭注：進軍光刻機。

01 TeraFab，盯上光刻機了有博主發佈消息稱，從TeraFab發佈的消息看來，Elon Musk似乎要搞FEL（Free electronlaser：自由電子激光器）路線，顛覆傳統EUV的壟斷。

馬斯克本人隨後在社交平台發文「FEL FTW」（FEL必勝），被外界視爲對這一推測的側面印證。結合TeraFab細長的廠房設計及馬斯克的表態，FEL技術路線成爲當前最熱門的猜想方向。按照此前規劃，TeraFab將打造一座一體化芯片製造基地，同時生產邏輯芯片和存儲芯片，並將光刻、封裝和測試等環節全部整合到同一座工廠內。

無獨有偶，去年7月，半導體初創公司xLight宣佈完成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，目標是突破現有EUV光刻技術的物理極限，爲2納米及更先進製程芯片量產提供關鍵光源支持。值得注意的是，去年3月，英特爾前CEO帕特·基辛格在LinkedIn平台上發佈博文稱，其已經加入了 xLight 擔任執行董事長。

一時之間，FEL技術本身的特性引發業內熱烈討論。

02 FEL，給EUV換一種解法在整個 AI 芯片供應鏈中，荷蘭 ASML 是目前全球唯一能造EUV設備的公司，佔據了超九成的光刻設備市場份額。

該公司的EUV光刻機便是採用激光等離子體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10萬個激光脈衝），將它們蒸發成等離子體，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的EUV光線。

LPP技術雖成就了EUV光刻的商業化，但其固有的物理侷限正隨着製程推進而加速放大。

首先是能量轉換效率的瓶頸。在上文的解釋中有一個關鍵詞：13.5nm波長。這意味着相比於當前主流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主要採用美國Cymer公司的二氧化碳激光器激發錫等離子體產生13.5nm的極紫外光，該公司技術驅動激光器到錫等離子體的轉換效率達到 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。等離子體產生過程中，高速濺射的錫離子和中性碎屑會持續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，爲滿足2納米節點及以下的製造需求，所需的EUV功率需超過1.5千瓦，現階段500-600瓦規格的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宣佈，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，將下一代的高數值孔徑EUV光刻機的生產效率提升50%。到2030年，單台EUV設備的晶圓處理能力將從每小時220片提升至330片。

與 LPP 技術相比，FEL 不依賴等離子體轉換。FEL全稱自由電子激光器，整套光源系統由電子槍發射初始電子束，經直線加速器（先進方案多采用超導直線加速器）將電子加速至接近光速。處於相對論狀態的高密度電子束進入週期性交變磁場構成的波盪器，電子在磁場作用下橫向週期性擺動併產生自發輻射；輻射光場持續調製電子束，促使電子形成以輻射波長爲週期的微聚束，微聚束電子產生相干輻射並形成正反饋，輻射光強呈指數放大；配合種子注入等技術手段，系統可最終輸出波長穩定的 EUV 光束。

因此，FEL 產生的極紫外光波長，被認爲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 射線的區間。根據公開信息，xLight 的技術目標是在 2~7 納米的 Blue-X 波段（也稱「超越 EUV」波段）精確調諧。

並且，整條光路內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生金屬碎屑沉積。EUV-FEL 光源還可產生超過 10 kW 的高 EUV 功率，它可以同時爲 10 台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。

03 光刻機的遊戲規則，改寫了嗎？剝開光刻產業的殼，可以看到三條清晰的技術軌跡：EUV的漸進式迭代、EUV的光源革新，以及非EUV的替代方案。三者並存，但EUV迭代仍是絕對主角，後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依然牢牢掌控着主流賽道。今年第一季度淨銷售額88億歐元，淨利潤28億歐元；第二季度總淨銷售額93.26億歐元，淨利潤29.18億歐元。與此同時，ASML還在年內第二次大幅上調全年業績指引，將2026年全年銷售額預測大幅提高至430億至450億歐元。

作爲晶圓製造上游最核心的光刻機設備廠，ASML業績暴漲反映出的是整個科技產業正在上演的軍備競賽。其中亞馬遜、谷歌、微軟等巨頭在基礎設施領域砸下數千億美元，引爆下游對高端AI芯片的龐大需求，包括邏輯、存儲在內的晶圓廠加速擴產，將光刻機需求推向了白熱化。

產能擴張同樣激進。該公司計劃基於2026年約65台低數值孔徑（Low NA）EUV的產能規劃之上，在2027年將產能提升30%，並正研究於2028年進一步提高30%的產能。同時，計劃基於2026年約130台浸潤式DUV的產能規劃之上，在2027年將產能提升30%，並正研究於2028年再提高30%的產能。

High-NA EUV（高數值孔徑極紫外光刻機）是ASML的下一代「王牌」，其採用0.55數值孔徑光學系統，可實現8納米分辨率，支持3納米及以下製程工藝，併爲1納米節點提供技術儲備。該設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的2.9倍，有效降低芯片功耗並提升運算速度。

不過，由於單台High-NA EUV設備造價約4億美元，近乎傳統EUV光刻機的兩倍，且產線適配整合存在極高技術難度，因此High-NA EUV的應用情況並不是很理想。台積電負責業務開發及全球業務的資深副總經理兼副聯席COO張曉強在年度技術論壇前的記者會上向媒體透露，公司目前沒有計劃部署 ASML專爲下一代處理器設計的High-NA EUV設備。

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ASML在光學整機上的統治力，而是在光源環節尋找突破口。這意味着芯片製造商無需對現有光刻、刻蝕、沉積、檢測等配套設備做大面積更換，只需替換光源系統即可獲得顯著的產能和成本改善——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 系統的功率是現有系統的 4 倍以上，在美國現有晶圓廠部署 xLight FEL 可將生產效率提高 50%，並消除對錫或氫等耗材的需求；而在新建晶圓廠部署 xLight FEL 可將生產效率提高 100%。這將使生產商能造出特徵尺寸更小、效率更高的芯片，以此擴展下一代光刻技術。

倘若光源可以被獨立替換，ASML的議價權就會被結構性削弱。但值得注意的是，ASML早在十年前就考慮過FEL EUV光源路線，但最終認爲風險偏高，而走向了LPP EUV光源。因此，FEL的量產問題能否被攻克、何時被攻克，或許還需時日探究。

此外，還有其他光源路線。比如成立於 2022 年的舊金山初創公司Substrate選擇了基於粒子加速器的 X 射線光刻路徑。中國也在推進自主 EUV 光源技術。據公開消息，國內多個團隊正在探索不同技術路徑，包括對現有 LPP 技術的逆向研發，目標是在 2028 至 2030 年間實現突破。

其中，哈爾濱工業大學等機構嘗試開發基於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後通過高壓放電激發等離子體，結構比 LPP 更簡單、佔地更小，但發光功率密度有限，能否支撐量產仍存疑。

第三陣營：完全繞過EUV的非傳統方案，正在暗處生長。

納米壓印光刻（NIL）是其中商業化進展最快的一條。通過物理模板直接壓印圖案，NIL無需複雜的光學系統和光源，設備成本和功耗遠低於EUV。日本廠商佳能已在存儲芯片領域推動NIL的量產應用，雖然分辨率尚無法與High-NA EUV抗衡，但在對線寬要求相對寬鬆的存儲芯片市場，NIL已展現出成本競爭力。

電子束直寫（EBL）則走了一條截然不同的路徑。電子束光刻本質上是一種直接寫入技術，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，在設計頻繁迭代的研發階段非常有優勢，尤其適合量子器件、新型材料結構、原型芯片以及掩模製作等場景。

但目前爲止，電子束光刻長期存在於科研和小規模應用領域，其原因並不在於分辨率，而在於效率。電子束直寫屬於串行曝光，即使單點精度很高，整體吞吐能力仍然受限，這在晶圓級量產中是難以接受的。但在研發階段，這一「慢」的特性反而換來了極高的靈活性。對於需要反覆修改版圖、驗證物理模型或探索新器件結構的研究團隊來說，省去掩模製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。技術瓶頸是真，但ASML圍繞它二十年織成的那張生態網也是真。新選手想上場，光自己跑得快沒用——還得讓整條賽道都跟着它改規則。

馬斯克的TeraFab計劃，本質上是一場豪賭：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鏈。

下一代光刻技術該怎麼走，答案或許不會太遠。但可以確定的是——當馬斯克把「FEL FTW」打在社交平台上時，光刻機這門生意，已經不再是ASML一個人的遊戲了。

文章來源：微信公衆號「半導體產業縱橫」

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