光刻機之戰

航空發(fā)動(dòng)機和半導體光刻機，誰(shuí)是人類(lèi)工業(yè)皇冠頂上的明珠？

航空發(fā)動(dòng)機一直被譽(yù)為人類(lèi)頂尖工業(yè)皇冠上的明珠。但最近十年，不斷挑戰物理學(xué)極限的半導體光刻機，大有挑戰明珠之王的趨勢。

航發(fā)是在極端高溫高壓下挑戰材料和能量密度的極限，而光刻是在比頭發(fā)絲還細千倍的地方挑戰激光波長(cháng)和量子隧穿的極限。

更難得的是，和低可靠性的航天高科技不同，航發(fā)和光刻的可靠性也是人類(lèi)驕傲之花：前者保證了每天十萬(wàn)架飛機在天空安全翱翔，后者在全球工廠(chǎng)每秒鐘刻出上千億個(gè)晶體管分毫不差。

引子

2000年，成立15年當時(shí)排名世界第二的荷蘭ASML(阿斯麥)公司已經(jīng)成功占領(lǐng)韓國和臺灣市場(chǎng)，但還在琢磨怎么賣(mài)光刻機給那時(shí)芯片的絕對霸主英特爾(Intel)。

缺乏新一代157nm激光需要配置的反折射鏡頭技術(shù)也是讓ASML焦慮的地方。同時(shí)，在美國能源部和幾大芯片巨頭合建的EUV光刻聯(lián)盟里，ASML還只是個(gè)小配角。

這時(shí)下一代光刻技術(shù)發(fā)展會(huì )怎樣，整個(gè)半導體屆沒(méi)有人知道。

在轉折關(guān)頭，ASML決定另辟蹊徑，報價(jià)16億美元收購市值只有10億的硅谷集團(SVG)。曾經(jīng)輝煌的SVG當時(shí)在光刻機的市場(chǎng)份額只有不到8%，年營(yíng)業(yè)額只有2.7億美元，而且193nm產(chǎn)品水平還遠不如ASML。所以華爾街認為ASML買(mǎi)貴了，ASML股價(jià)當天暴跌7.5%。

然而從后來(lái)的結果看，ASML等于花錢(qián)買(mǎi)了光刻機行業(yè)最值錢(qián)的門(mén)票：英特爾的vendor code，同時(shí)搖晃了尼康(Nikon)的支柱。此外，SVG擁有最成熟的157nm光學(xué)技術(shù)，等于A(yíng)SML買(mǎi)了一個(gè)技術(shù)雙保險，這點(diǎn)后面會(huì )再詳述。

不過(guò)，別以為西方人都是一家子。這次收購仍遭到美國政府和商會(huì )的阻撓，美國國防部審查說(shuō)ASML董事長(cháng)在一個(gè)曾經(jīng)違反禁令偷偷賣(mài)夜視鏡給伊拉克的荷蘭公司當過(guò)董事。

中國公司的老對手美國外國投資委員會(huì )最終在收購協(xié)議上加了一堆條件，其中包括不許收購S(chǎng)VG負責打磨鏡片的子公司Tinsley，以及保證各種技術(shù)和人才留在美國。

這些條件反而讓ASML順理成章地成為了半個(gè)美國公司，享受到美國強勁的基礎科學(xué)帶來(lái)的巨大好處，為多年后在EUV一支獨秀做了有力的鋪墊。

早期，60-70年代

光刻機的原理其實(shí)像幻燈機一樣簡(jiǎn)單，就是把光通過(guò)帶電路圖的掩膜(Mask，后來(lái)也叫光罩)投影到涂有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻，掩膜版是1:1尺寸緊貼在晶圓片上，而那時(shí)晶圓也只有1英寸大小。

因此，光刻那時(shí)并不是高科技，半導體公司通常自己設計工裝和工具，比如英特爾開(kāi)始是買(mǎi)16毫米攝像機鏡頭拆了用。只有GCA, K&S和Kasper等很少幾家公司有做過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)設備。

60年代末，日本的尼康和佳能開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，畢竟當時(shí)的光刻不比照相機復雜。

70年代初，光刻機技術(shù)更多集中在如何保證十個(gè)甚至更多個(gè)掩膜版精準地套刻在一起。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對齊機臺并領(lǐng)先了幾年，Cobilt公司做出了自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，但接觸式機臺后來(lái)被接近式機臺所淘汰，因為掩膜和光刻膠多次碰到一起太容易污染了。

1973年，拿到美國軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統，搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高，因此迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)。

1978年，GCA推出真正現代意義的自動(dòng)化步進(jìn)式光刻機(Stepper)，分辨率比投影式高5倍達到1微米。這個(gè)怪怪的名字來(lái)自于照相術(shù)語(yǔ)Step and Repeat，這臺機器通俗點(diǎn)說(shuō)把透過(guò)掩膜的大約一平方厘米的一束光照在晶圓上，曝光完一塊挪個(gè)位置再刻下一塊。由于剛開(kāi)始Stepper生產(chǎn)效率相對不高，Perkin Elmer在后面很長(cháng)一段時(shí)間仍處于主導地位。

80年代，群雄爭霸

光刻機是個(gè)小市場(chǎng)，一年賣(mài)幾十臺的就算大廠(chǎng)了。因為半導體廠(chǎng)商就那么多，一臺機器又能用好多年。這導致你的機器落后一點(diǎn)，就沒(méi)人愿意買(mǎi)了。技術(shù)領(lǐng)先是奪取市場(chǎng)的關(guān)鍵，贏(yíng)家通吃。

80年代一開(kāi)始，GCA的Stepper還稍微領(lǐng)先，但很快尼康發(fā)售了自己首臺商用Stepper NSR-1010G，擁有更先進(jìn)的光學(xué)系統極大提高了產(chǎn)能。兩家一起擠壓了其它廠(chǎng)商的份額，尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市場(chǎng)份額從80年超過(guò)3成快速跌到84年不到5%。

看過(guò)我寫(xiě)的《內存的故事》的朋友都知道，80年代是日本半導體最風(fēng)光的時(shí)候，本土幾乎每家大公司大財閥都進(jìn)入了半導體業(yè)。這給尼康和佳能雙雄帶來(lái)巨大的后盾，并開(kāi)始反攻美國市場(chǎng)。

由于GCA的鏡片組來(lái)自蔡司，不像尼康自己擁有鏡頭技術(shù)，合作的問(wèn)題使得GCA產(chǎn)品更新方面一直落后了半拍。1982年，尼康在硅谷設立尼康精機，開(kāi)始從GCA手里奪下一個(gè)接一個(gè)大客戶(hù)：IBM、Intel、TI、AMD等。

到了1984年，尼康已經(jīng)和GCA平起平坐，各享三成市占率。Ultratech占約一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家每家都不到5%。

為什么我們要特地看1984年呢？

首先我們致敬一下蘋(píng)果，震撼世界的廣告《1984》發(fā)布了第一代Mac(我現在打字電腦的老祖宗)。然后，請出我們故事的主角：ASML。

ASML被廣為傳播成是飛利浦分離的出來(lái)的，雖然不能說(shuō)不對，但是和大家想象的那樣子還是不同的。

飛利浦在實(shí)驗室里研發(fā)出stepper的原型，但是不夠成熟。因為光刻市場(chǎng)太小，飛利浦也不能確認它是否有商業(yè)價(jià)值，去美國和P&E、GCA、Cobilt、IBM等談了一圈沒(méi)人愿意合作。

有家荷蘭小公司叫ASM International的老板Arthur Del Prado聽(tīng)說(shuō)了有這么回事，主動(dòng)要求合作。但這家代理出身的公司只有半導體前后道的經(jīng)驗，對光刻其實(shí)不太懂，等于算半個(gè)天使投資加半個(gè)分銷(xiāo)商。

飛利浦猶豫了一年時(shí)間，最后勉強同意了設立50:50的合資公司。1984年4月1日ASML成立的時(shí)候，只有31名員工，在飛利浦大廈外面的木板簡(jiǎn)易房里工作。

ASML最早成立時(shí)的簡(jiǎn)易平房，后面的玻璃大廈是飛利浦。Credit: ASML

ASML在頭一年只賣(mài)出一臺stepper，第二年賣(mài)出四臺。第一代產(chǎn)品不夠成熟，但是背靠飛利浦大樹(shù)的各種資源和容忍讓它生存了下來(lái)。

ASML在1985年和蔡司(Zeiss)合作改進(jìn)光學(xué)系統，終于在1986年推出非常棒的第二代產(chǎn)品PAS-2500，并第一次賣(mài)到美國給當時(shí)的創(chuàng )業(yè)公司Cypress，今天的Nor Flash巨頭。

有意思的是，1986年半導體市場(chǎng)大滑坡（比如光三星半導體就虧了3億美元），導致美國一幫光刻機廠(chǎng)商都碰到嚴重的財務(wù)問(wèn)題。ASML還小，所以損失不大，還可以按既有計劃開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。同期，GCA和P&E的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都停滯了下來(lái)。

1988年GCA資金嚴重匱乏被General Signal收購，又過(guò)了幾年GCA找不到買(mǎi)主被關(guān)閉。General Signal旗下另外一家Ultratech最終被MBO，但是規模也不大了。1990年，P&E光刻部也支撐不下去被賣(mài)給SVG。

1980年還占據大半壁江山的美國三雄，到80年代末地位完全被日本雙雄取代。這時(shí)ASML還只有大約10%的市場(chǎng)占有率。

波長(cháng)的競爭

忽略掉美國被邊緣化的SVG、Ultratech等公司，90年代一直到現在的格局，一直是ASML和尼康的競爭，佳能在旁邊看熱鬧。

所以我們要開(kāi)始講一點(diǎn)點(diǎn)技術(shù)了。

半導體領(lǐng)域的原生驅動(dòng)力是摩爾定律。摩爾定律其實(shí)應該被叫做摩爾預言，這個(gè)預言中間還改過(guò)一次。戈登摩爾博士1965年最早的預言是集成電路密度每年翻倍，而1975年他自己改成每?jì)赡攴丁?/p>

有人說(shuō)，這是人類(lèi)歷史上最偉大的“自我實(shí)現的預言”，因為英特爾就是照著(zhù)這個(gè)預言一路狂奔數十年，直到光刻技術(shù)被卡在193nm上十多年變成網(wǎng)友說(shuō)的“牙膏廠(chǎng)”。

為了實(shí)現摩爾定律，光刻技術(shù)就需要每?jì)赡臧哑毓怅P(guān)鍵尺寸(CD)降低30%-50%。根據瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我們能做的就是降低波長(cháng)λ，提高鏡頭的數值孔徑NA，降低綜合因素k1。

搞更短的波長(cháng)是最直接的手段。90年代前半期，光刻開(kāi)始使用波長(cháng)365nm i-line，后半期開(kāi)始使用248nm的KrF激光。激光的可用波長(cháng)就那么幾個(gè)，00年代光刻開(kāi)始使用193nm波長(cháng)的DUV激光，這就是著(zhù)名的ArF準分子激光，包括近視眼手術(shù)在內的多種應用都應用這種激光，相關(guān)激光發(fā)生器和光學(xué)鏡片等都比較成熟。

但誰(shuí)也沒(méi)想到，光刻光源被卡在193nm無(wú)法進(jìn)步長(cháng)達20年。直到今天，我們用的所有手機電腦主芯片仍舊是193nm光源光刻出來(lái)的。

90年代末，科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界提出了各種超越193nm的方案，其中包括157nm F2激光，電子束投射(EPL)，離子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光，并形成了以下幾大陣營(yíng)：

157nmF2：每家都研究，但SVG和尼康離產(chǎn)品化最近。

157nm光會(huì )被現有193nm機器用的鏡片吸收，光刻膠也要重新研制，所以改造難度極大，而對193nm的波長(cháng)進(jìn)步只有不到25%，研發(fā)投入產(chǎn)出比太低。ASML收購S(chǎng)VG后獲取了反射技術(shù)，2003年終于出品了157nm機器，但錯過(guò)時(shí)間窗口完敗于低成本的浸入式193nm。

13.5nmEUV LLC：英特爾，AMD，摩托羅拉和美國能源部。ASML、英飛凌和Micron后來(lái)加入。

關(guān)于EUV，我放到后面在說(shuō)吧。

1nm接近式X光：日本陣營(yíng)(ASET, Mitsubishi, NEC, Toshiba, NTT)和 IBM

這算是個(gè)浪漫陣營(yíng)吧，大家就沒(méi)想過(guò)產(chǎn)業(yè)化的事

0.004nmEBDW或EPL: 朗訊Bell實(shí)驗室，IBM，尼康。ASML和應用材料被邀請加入后又率先退出。

這是尼康和ASML對決的選擇，尼康試圖直接跨越到未來(lái)技術(shù)擊敗ASML，但可惜這個(gè)決戰應該發(fā)生在2020年而不是2005年，尼康沒(méi)有選錯技術(shù)但是選錯了時(shí)間。尼康最重要的技術(shù)盟友IBM在2001年也分心加入了EUV聯(lián)盟。

0.00005nmIPL: 英飛凌、歐盟。ASML和萊卡等公司也有參與。

離子光刻從波長(cháng)來(lái)看是最浪漫的，然而光刻分辨率不光由波長(cháng)決定，還要看NA。人類(lèi)現有科技可用離子光刻的光學(xué)系統NA是0.00001，比193nm的NA=0.5～1.5剛好差10萬(wàn)倍，優(yōu)勢被抵消了。

以上所有努力，幾乎全部失敗了。

它們敗給了一個(gè)工程上最簡(jiǎn)單的解決辦法，在晶圓光刻膠上方加1mm厚的水。水可以把193nm的光波長(cháng)折射成134nm。

浸入式光刻成功翻越了157nm大關(guān)，直接做到半周期65nm。加上后來(lái)不斷改進(jìn)的高NA鏡頭、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術(shù)，浸入式193nm光刻機一直做到今天的7nm(蘋(píng)果A12和華為麒麟980)。

2002年臺積電的林本堅博士在一次研討會(huì )上提出了浸入式193nm的方案，隨后ASML在一年的時(shí)間內就開(kāi)發(fā)出樣機，充分證明了該方案的工程友好性。

隨后，臺積電也是第一家實(shí)現浸入式量產(chǎn)的公司，隨后終于追上之前制程技術(shù)遙遙領(lǐng)先的英特爾，林博士因此獲得了崇高的榮譽(yù)和各種獎項。

MIT的林肯實(shí)驗室似乎不服氣，他們認為自己在2001年就提出了這個(gè)浸入式方案。ASML似乎也沒(méi)有在任何書(shū)面說(shuō)明自己開(kāi)發(fā)是受林博士啟發(fā)。

其實(shí)油浸鏡頭改變折射率的方式由來(lái)已久，產(chǎn)業(yè)界爭論是誰(shuí)的想法在先從來(lái)不重要，行勝于言。林博士的貢獻是臺積電和ASML通力合作把想法變成了現實(shí)。

日荷爭霸

在A(yíng)SML推出浸入式193nm產(chǎn)品的前后腳，尼康也宣布自己的157nm產(chǎn)品以及EPL產(chǎn)品樣機完成。然而，浸入式屬于小改進(jìn)大效果，產(chǎn)品成熟度非常高，所以幾乎沒(méi)有人去訂尼康的新品。尼康被迫隨后也宣布去做浸入式光刻機。

之前我們提到光刻領(lǐng)域是贏(yíng)家通吃，新產(chǎn)品總是需要至少1-3年時(shí)間由前后道多家廠(chǎng)商通力磨合。別人比你早量產(chǎn)就比你多了時(shí)間去改善問(wèn)題和提高良率。

光刻機就像印鈔機，材料成本可以忽略不計，而時(shí)間就像金子一樣珍貴。

半導體廠(chǎng)商更愿意去買(mǎi)成熟的ASML產(chǎn)品，不想去給尼康當白鼠。

這導致后面尼康的大潰敗。尼康在2000年還是老大，但到了2009年ASML已經(jīng)市占率近7成遙遙領(lǐng)先。尼康新產(chǎn)品的不成熟，也間接關(guān)聯(lián)了大量使用其設備的日本半導體廠(chǎng)商的集體衰敗。

佳能在光刻領(lǐng)域一直沒(méi)爭過(guò)老大。當年它的數碼相機稱(chēng)霸世界利潤很好，對一年銷(xiāo)量只有百來(lái)臺的光刻機重視不夠。

佳能的思路是一款產(chǎn)品要賣(mài)很久，他們一看193nm尼康和ASML打得太厲害就直接撤了。直到現在佳能還在賣(mài)350nm和248nm的產(chǎn)品，給液晶面板以及模擬器件廠(chǎng)商供貨。

尼康在浸入式一戰敗下來(lái)就徹底沒(méi)有還手之力了，因為接下來(lái)EUV的開(kāi)發(fā)需要投入巨資而且前景未卜，英特爾倒向ASML使得尼康失去了挑戰摩爾定律的勇氣。

EUV光刻機

接下來(lái)，我們再說(shuō)說(shuō)EUV。這個(gè)產(chǎn)品其實(shí)是ASML在沒(méi)有競爭對手的情況下研發(fā)的，而且做了十多年到今天也沒(méi)有量產(chǎn)。

那它背后的驅動(dòng)力是什么呢？我看了一些文獻，英特爾絕對是最堅定的支持者，因為它的使命之一就是讓摩爾定律走下去。

早在1997年，英特爾看到挑戰193nm的巨大難度，決心集合人類(lèi)精英一起愚公移山，有點(diǎn)流浪地球的意思。他們說(shuō)服了美國對高科技最開(kāi)明的克林頓內閣，以公司形式發(fā)起了EUV LLC這樣的一個(gè)合作組織。

這個(gè)組織由英特爾和美國能源部牽頭，集合了當時(shí)還如日中天的摩托羅拉以及AMD，以及享有盛譽(yù)的美國三大國家實(shí)驗室：勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗室，勞倫斯伯克利實(shí)驗室和桑迪亞國家實(shí)驗室，投資兩億美元集合幾百位頂級科學(xué)家，從理論上驗證EUV可能存在的技術(shù)問(wèn)題。

英特爾還力邀ASML和尼康加入EUV LLC，因為當時(shí)美國光刻已經(jīng)不太行了。但此舉受到美國政府的阻撓，因為他們舍不得讓外國公司分享美國最前沿技術(shù)。

最終結果是尼康被排除在外，ASML做了一堆對美國貢獻的許諾后被允許加入。另外一家例外的非美國公司是英飛凌，它被允許和Micron一起加入EUV LLC。

我們回看當年各種跨越193nm的技術(shù)方案，很多公司是左右下注的，只有英特爾堅定地選了EUV，而且讓它最終成為了現實(shí)。

看當年的一些回憶錄，說(shuō)英特爾自己并未派出多少工程師，但是列了幾百項難題一直拿著(zhù)小鞭子督促那些科學(xué)家不停地努力。

EUV算是軟X光，穿透物體時(shí)散射吸收都非常厲害，這使得光刻機需要非常非常強的光源，這個(gè)難度是巨大的。連空氣都能吸收EUV，所以機器內部還得做成真空的。

傳統光刻用的很多透鏡因為會(huì )吸收X光要換成反射鏡，據說(shuō)193nm的最新光刻機里鏡頭加起來(lái)就有一噸重，而這些技術(shù)都用不上了。

由于光刻精度是幾納米，EUV對光的集中度要求極高，相當于拿個(gè)手電照到月球光斑不超過(guò)一枚硬幣。反射要求的鏡子要求長(cháng)30cm起伏不到0.3nm，這相當于是北京到上海做根鐵軌起伏不超過(guò)1毫米。

所以，EUV不僅是頂級科學(xué)的研究，也是頂級精密制造的學(xué)問(wèn)。

EUV的小鏡子由德國蔡司生產(chǎn)，ASML還因此特地購買(mǎi)了Carl Zeiss SMT公司24.5%的股份。

1997年-2003年，6年間EUV LLC的科學(xué)家發(fā)表了幾百篇論文，驗證了EUV光刻機的可行性。然后EUV LLC聯(lián)盟解散。

接下來(lái)留給ASML一個(gè)問(wèn)題，是做還是不做呢？

好在A(yíng)SML從來(lái)沒(méi)有猶豫過(guò)。2006年它推出原型，2007年建造了10000平米的超級無(wú)塵室，等著(zhù)接待2010年誕生的第一臺研發(fā)用樣機：NXE3100。

2012年，ASML請英特爾、三星和臺積電入股自己，希望大家共同承擔這個(gè)人類(lèi)的偉大工程，因為研發(fā)投入需要每年10億歐元。

2015年，可量產(chǎn)的樣機發(fā)布。雖然售價(jià)高達1.2億美元一臺，但還是收到雪片一樣的訂單。排隊等交貨，都要等好幾年。

一臺EUV光刻機重達180噸，超過(guò)10萬(wàn)個(gè)零件，需要40個(gè)集裝箱運輸，安裝調試都要超過(guò)一年時(shí)間。

明年，我們就能買(mǎi)到EUV加工出來(lái)的芯片做的手機了。

EUV光刻機 Credit: ASML

后記

相信在未來(lái)，人類(lèi)一定可以突破光學(xué)光刻機的極限，無(wú)論用電子離子還是最終放棄硅基。但是，就在剛寫(xiě)完文章的現在，我只想衷心為這些偉大的公司喝彩。

需要強調的是，在半導體制造中，光刻只是其中的一個(gè)環(huán)節，另外還有無(wú)數先進(jìn)科技用于前后道工藝。

正是因為他們不屈不撓的努力，才使得我們在這個(gè)一切由芯片驅動(dòng)的偉大時(shí)代，享受著(zhù)各種手機、電腦、家電、汽車(chē)飛機和互聯(lián)網(wǎng)帶給我們的精彩生活。

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