来源： YouTube | Veritasium | Dec 31, 2025 分类： 其他 原文发表： Dec 31, 2025 纪要生成： 2026-07-23
本集是 Veritasium 深入探访 ASML 的纪实影片，由主持人 Derek Muller（Derek）与 Casper（Casper）共同呈现。他们实地拍摄了全球唯一能生产极紫外（EUV）光刻机的公司，并采访了 ASML 关键人物，如首任研究员 Jos Benschop、光源工程师 Jayson 等，详尽还原了这台从被科学界否定、耗资数百亿、历时三十年才商业化的“不可能机器”的完整故事。
本节重点
详细精要
摩尔定律是过去半个世纪整个科技行业的主要驱动力之一
2015 年左右，晶体管微缩遭遇物理极限，进步戛然而止：传统的光刻技术不再能把特征尺寸继续缩小
💬 精华片段（中文）
"But around 2015, progress came to a screeching halt, and we might have never gotten past it if it wasn't for a single company that makes these machines, the machines that saved Moore's Law." “但在 2015 年左右，进展戛然而止，如果不是一家公司制造了这些机器——这些拯救了摩尔定律的机器，我们或许永远无法跨过这道坎。”
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你的任务，是用激光击中它，不是一次，也不是两次，而是连续三次，全过程必须在 20 微秒 内完成
金属锡滴被三次激光脉冲连续命中，加热到超过 220,000 K：这个温度相当于太阳表面温度的大约 40 倍
当被问到“你们多久会打偏一次？”时，工程师的答案是 “我们从不失手”，即每秒 15 万次激光射击，无一脱靶
机器内部的镜面是宇宙中最光滑的物体之一：镜面的平整度极其惊人
💬 精华片段（中文）
"How often do you miss a laser shot? — We don't miss them. — What? You do 150,000 laser shots a second, and you don't miss one? — Exactly." “你们多久会射偏一次？——我们从不失手。——什么？你们每秒打 15 万次激光，一次都不打偏？——没错。”
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硅锭很脆，用手握持都让人担心折断
硅锭随后被金刚石线锯切割成晶圆：一根硅锭最多可切出 5,000 片 晶圆，每片都被仔细抛光
通过有图案的 掩模 照射光，选择性削弱涂层部分，再用碱性溶液洗去曝光过的光刻胶，将设计图案转移上去
将图案转成物理结构要经过“涂胶、曝光、蚀刻、沉积”的循环：对暴露出的硅进行蚀刻（化学或等离子体），然后沉积铜等金属填充蚀刻出的沟槽
最终一片晶圆上可能有 数百颗芯片，再切割、封装并在产品中使用
全流程中最困难、最关键的步骤是光刻：即让光穿过掩模打到晶圆上，它直接决定能造出多小的结构
💬 精华片段（中文）
"This is photolithography, and that's because this step determines how small you can make the features." “这就是光刻，因为这一步决定了你能把特征做得多小。”
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为了在晶圆上分辨出图像，必须同时捕获零级光和一级与负一级衍射光
特征尺寸越小，零级与一级的夹角 α 越大：这要求镜头必须更大才能收集光束
NA 越大，可打印的特征越小，但物理上限是 NA=1（α=90°，此时镜头需要无穷大）
缩短波长是继续缩小特征的最有效途径：用绿光（波长 532 nm）照射同样掩模，各级光斑间隔比红光（650 nm）更密，因为更短波长的光从两个间隙出来，需要更短距离就能回到同相位
💬 精华片段（中文）
"So with a smaller wavelength, you can print smaller patterns using the same lens. All of this is captured by the Rayleigh Equation, which determines the smallest feature size or critical dimension." “所以波长越短，用同样的镜头就可以打印更小的图案。所有这些都包含在瑞利方程中，它决定了最小特征尺寸——关键尺寸。”
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更糟的是，不能用透镜来聚焦，因为透镜本身也会吸收 X 射线
木下在 1983 年左右发现了一篇关键论文：由 Jim Underwood 和 Troy Barbee 发表，展示了能反射波长 4.48 nm X 射线 的特殊多层膜反射镜
他们用这套装置成功打印出了 4 μm（4000 nm）粗 的线条，从原理上证明了 X 射线光刻是可能的
1986 年木下在日本应用物理学会上发表成果，遭到公开质疑：听众极度怀疑他真能通过“弯折 X 射线”成像，认为这是吹牛（big fish story）
💬 精华片段（中文）
"Unfortunately, the audience was highly skeptical of my talk... they tended to regard the whole thing as a big fish story." “不幸的是，听众对我的演讲高度怀疑……他们倾向于把这整件事看成一个大吹大擂的故事。”
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重复这一技巧，叠加 76 层 交替膜，最终可使总反射率提高，他们当时只达到了约 6% 的反射率，但证明了原理可行
镜面粗糙度必须从“原子级”去理解：如果表面相对于波长的粗糙度过高，光就会随机散射
💬 精华片段（中文）
"If one mirror would be the size of Germany, the biggest bump would be about a millimeter high." “如果一面镜子有德国那么大，最高的凸起也就大约一毫米高。”
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科学家 Andrew Hawryluk（Andy） 受命攻关，数年内用多层膜镜成功反射部分 X 射线
1987 年，一位康奈尔大学教授问了一个刺痛人心的问题：看了他的技术后说，“这一切都很有趣、很巧妙，但你能不能用这些东西做点 有用 的事？”
回到实验室后老板问进展如何，他回答：“我再也不会提起这事了”
三天后，来自贝尔实验室的电话改变了一切：AT&T 执行副总裁 Bill Brinkman 亲自致电，邀请他飞到新泽西演讲
💬 精华片段（中文）
"I was literally laughed off the stage... every person who I looked up to in the field... came up to the microphone and told me basically why it wouldn't work, how stupid an idea it was." “我真是被轰下台的……每一位我敬仰的同行……都走到麦克风前，告诉我为什么成不了，这个想法有多蠢。”
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会上将该技术命名为 极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography，EUV）
1996 年美国政府切断项目资金，对英特尔等芯片巨头是灾难：业界估计 193 nm 光刻工具将在 2005 年 落后于摩尔定律，而彼时又没有其他替代方案
英特尔、摩托罗拉、AMD 等公司集合起来，投入 2.5 亿美元 继续推进，成为私营产业对能源部研究项目的最大单笔投资
2000 年，实验室造出了工程测试台（ETS, Engineering Test Stand）：这是第一台功能完整的 EUV 原型机
可以打印 70 nm 的特征，证明了 EUV 这条路可行，极大地鼓舞了英特尔等公司
ETS 的重大缺陷是产能太低：只能每小时处理 约 10 片晶圆，而商业上必须做到 每小时数百片，且 7×24 不间断运行
💬 精华片段（中文）
"Each mirror had a reflectivity of around 70%, which is close to the max, but after nine bounces, you are only left with 4% of the light." “每面镜子的反射率大约 70%，这已接近理论上限，但经过九次反射后，只剩下 4% 的光。”
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ASML 前身从飞利浦分拆，起初只有一个棚屋和一台勉强能用的步进式光刻机，但飞利浦也给了他们人——Jos Benschop 成为首位研究员，Martin van den Brink 最终成为 CTO，也是 EUV 最坚定的旗手
任何光刻系统的首要选择是波长：早期探索从 5 nm 到 14 nm，关键是要同时找到光源和能反射该波长的光学系统
为制造镜面，蔡司采用 溅射工艺：用等离子体或离子轰击靶材，使原子飞出并附着在镜面上，但这样淀积的膜层有起伏和空洞，需要进一步平滑
荷兰团队发明离子束修整技巧：通过“稍微晃一晃”，让原子落入该去的地方，使层呈原子级平坦
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"There was a nice trick that actually the team in the Netherlands perfected with ion beam. You just shake it a little bit until the atoms falls in the hole where it needs to be and then it's all flat." “荷兰团队用离子束完善了一个巧妙技巧。你只需轻轻摇晃，直到原子落入该待的空穴，然后就完全平坦了。”
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ASML 起初因结构相对简单而选择 DPP，迅速做到几瓦，但要达到 100 瓦却挣扎无果，无法扩展
转向第二种方式激光等离子体（LPP）：用高能激光击中靶材，形成超过 220,000°C 的等离子体，电子有足够能量逃逸多达 14 个
但氙的转换效率极差，仅约 0.5%，因为虽然它会在 13~14 nm 区域发光，但更多能量在 11 nm 附近散发，而镜子无法反射此波段；未电离的中性氙原子还会强烈重吸收 13.4 nm 光
ASML 转而研究锡（Sn）：锡在约 13.5 nm 处有高得多的发射峰，转换效率比氙高 5 到 10 倍
💬 精华片段（中文）
"That's like our magic sauce, is how do you modulate that tin jet so that it forms the droplets we want and that they're stable?" “那就是我们的魔法酱料：怎么去调制这股锡液流，让它形成我们想要且稳定的液滴？”
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到 2011 年，ASML 的 LPP 光源达到 11 瓦，是之前 DPP 源的两倍多，但每小时只能处理 5 片晶圆，他们曾承诺 2011 年底达到 60 片晶圆/小时
锡的污染是头号难题：锡滴被击中产生 EUV 光后，锡去哪了？30 厘米外就是蔡司提供的那块原子级平整、极其昂贵的收集镜
必须让镜面全年近乎完美地保持清洁
核心应对手段是低气压氢气：在腔体内充入低压氢气，可以减缓并冷却锡粒子
氢太少则镜子变脏，氢太多则会不仅过度吸收 EUV 光，还会造成系统过热
用超高速相机揭开谜团：每次等离子体事件后都会在氢气中产生一道 冲击波，重复性极高
💬 精华片段（中文）
"It's just fantastic that we're seeing these like tiny little supernovas happening in our vessel 50,000 times a second." “太不可思议了，我们在自己的容器里每秒 5 万次见证着这些微小的超新星诞生。”
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一个思想实验说明精度：如果在镜面侧面放一个微型激光器，射向月球，并在月球上放一枚 一毛钱硬币，该系统的指向控制能力可以决定光是照在硬币的 这一边还是那一边
然而与此同时，光源依然挣扎：锡滴过密，导致发出的大部分 EUV 光在中性锡原子中被重新吸收，永远无法抵达收集镜
💬 精华片段（中文）
"I can place a little laser on the side of this mirror. Then we go all the way to the Moon and we put a dime here... I can decide whether I point to this side of the dime or whether I point to this side of the dime." “我可以在镜子的侧面装一个小激光器。然后我们一直走到月球，并在那里放一枚一毛钱硬币……我能够决定我是照在硬币的这一面，还是那一面。”
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木下为当时还在攻关 EUV 的三家供应商各点一支蜡烛祈福；Jos 开玩笑说他手头数据表明，点蜡烛和功率上升之间存在“非常强的相关性”，虽不是因果关系
真正的突破是改变靶材形状：将一次击中变成两次击中：第一个 预脉冲 击中锡滴，使其摊开成一张 薄饼 状；第二个更强的主脉冲再把整张薄饼瞬间蒸发成等离子体
2014 年终于突破 100 瓦 里程碑
但业界在这期间也没有停下：通过 193 nm 多重曝光工艺进步，EUV 必须有 200 瓦、每小时 125 片晶圆才具竞争力：目标成了移动靶
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"This was one of these decisive moments where our customers were really thin on patience... when they entered the plane, the experiment was still running. When they exited the plane, they had the first result demonstrating 200 watt." “那是一个决定性的时刻，客户真的已经毫无耐心了……当他们登机时，实验还在跑。当他们下飞机时，拿到了第一份 200 瓦的演示结果。”
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经过反复实验，得出精确的惨氧量，大幅延长了持续运行时间
2016 年起，订单涌入，所有最先进芯片都离不开 ASML 的机器：ASML 由此成为或许是世界上最重要的科技公司
💬 精华片段（中文）
"Whenever we opened up the machine, oxygen comes in and our problem is solved. Couldn't we think of a way to add just a little oxygen to our system...?" “每次我们打开机台，氧气进来了，问题就解决了。我们能不能想办法往系统里只加一点点氧气……？”
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一颗花粉约 20 微米，极细沙粒约 10 微米；即便是医院手术室，也只要求每立方米不超过 10,000 颗 0.1 微米颗粒
激光系统藏在一排棕色机柜中：起始仅几瓦的 二氧化碳激光 注入放大器，在腔内反复弹射使功率提升至原来的 5 倍，之后历经总共 四个放大器，最终产生 20,000 瓦 的激光，这比工业切割钢材的激光还要强 四倍
放大后的光束经过管道内的反射镜传输到机台光源模块
光源模块形如变形金刚或飞船：锡滴从左侧进入，激光从特定管道射入将其引爆，产生的 EUV 光则导向另一出口
💬 精华片段（中文）
"We've actually now already demonstrated this 100,000 droplets per second in the lab. So it's not an if but a when." “我们实际上已经在实验室里演示了每秒 10 万滴。所以不是能不能，而是什么时候。”
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结合这些改进，数值孔径从 0.33 提升到 0.55
最后光抵达晶圆，产能目标是每小时约 185 片晶圆：为此掩模台必须在 超过 20g 的加速度下来回扫动，超过 F1 赛车 五倍以上
💬 精华片段（中文）
"The most any two layers can be off, which is called the overlay, is one nanometer. That's five freaking silicon atoms of precision." “任何两层之间最多能偏差的，即所谓的套刻误差，是 1 纳米。这是五个硅原子的精度，疯了吧。”
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单台高 NA 机台需要 250 个货柜，分装 25 辆卡车 和 7 架波音 747 运输
三十年前木下博雄的第一张影像，到此刻终于变成量产现实：ASML 首次决定做 EUV 是在 2001 年左右，经历无数挑战；2010 年首台系统安装在韩国客户工厂，当 Jos 看到它真的在客户晶圆厂里生产晶圆，就知道赌对了
第一颗用 EUV 制造的手机芯片直到 2019 年 才面世，之前还有好几道坎要过
回看历史，那些说“不可能”的人完全有道理：在实验室里造人造太阳，磨出如此光滑的镜面，实现原子级别的套刻精度，每一步都完全不合理
💬 精华片段（中文）
"The reasonable man adapts himself to the world. The unreasonable one persists in trying to adapt the world to himself. Therefore, all progress depends on the unreasonable man." “理性的人适应世界，非理性的人坚持要让世界适应自己。因此，一切进步都有赖于非理性的人。”
| 术语 | 解释 |
|---|---|
| 摩尔定律 | 英特尔联合创始人戈登·摩尔1965年观察到的规律，集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番，驱动了半导体产业数十年。 |
| 光刻（Photolithography） | 在晶圆表面通过光照将掩模图案转移至光刻胶的工艺，是界定最小特征尺寸的关键步骤。 |
| 光刻胶（Photoresist） | 一种光敏材料，经曝光后溶解性改变，用于在晶圆上形成图案化的保护层。 |
| 瑞利方程 | 决定光刻最小可分辨特征尺寸的公式：CD = k₁·λ/NA，其中λ为光波长，NA为数值孔径，k₁为工艺因子。 |
| 数值孔径（NA） | 衡量镜头收集和聚焦光的能力，等于介质折射率乘以光线最大半角的正弦，高NA可分辨更小特征。 |
| EUV（极紫外光） | 波长约为13.5 nm的电磁辐射，几乎可被所有材料吸收，只能用反射镜操作，是延续摩尔定律的核心光源。 |
| 多层膜反射镜 | 由数十层纳米级厚度的交替材料（如硅与钼）构成，利用界面处的弱反射通过相干叠加实现X射线/EUV反射。 |
| 溅射（Sputtering） | 一种薄膜沉积技术，通过离子或等离子体轰击靶材，使原子飞出并附着在基底上，用于制作反射镜多层膜。 |
| 放电等离子体（DPP） | 通过高压放电产生含有所需离子的等离子体，随后复合发光来生成EUV光的方法，曾因难以扩展而被放弃。 |
| 激光等离子体（LPP） | 使用高功率激光轰击靶材（如锡），产生极高温等离子体，在离子与电子复合时发出EUV光的可扩展方案。 |
| 锡滴发生器 | 熔融高纯锡通过高频振动喷头断裂成微滴，并利用调制使其合并为尺寸、间距、速度一致的完美液滴序列。 |
| 预脉冲/主脉冲 | LPP中先以较弱激光将锡滴打扁成薄饼或稀化成气云，再以高能主脉冲使之完全电离，从而提升转换效率。 |
| 锡烷（Stannane, SnH₄） | 锡与氢反应生成的气态化合物，用于在EUV机台内带走沉积的锡污染物。 |
| 泰勒-冯·诺依曼-谢多夫公式 | 描述点源爆炸（包括核爆、超新星）冲击波传播的公式，被ASML用于计算等离子体事件后的氢气流动。 |
| 皮弧度（pico-radian） | 10⁻¹²弧度，用于描述超高精度光学镜面的角度控制分辨率。 |
| 套刻（Overlay） | 多层光刻之间上下图案对准的精度，通常以纳米计，EUV机台要求达到1nm（约5个硅原子）。 |
| 高数值孔径EUV（High-NA EUV） | NA=0.55的下一代EUV光刻系统，拥有更大的光学系统，能打印更小特征，采用变形倍率设计（8×/4×）。 |
| 工程测试台（ETS） | 2000年建成的首台全功能EUV原型机，产出9.8 W/13.4 nm光，证实了EUV的可行性。 |
| 同步辐射 | 通过粒子加速器使电子在偏转轨道上发出宽谱高强度电磁辐射，可作为EUV光源，但因体积和单点依赖被淘汰。 |