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創(chuàng)寶來芯資訊：光刻機之戰(zhàn)
發(fā)布時間：2023/5/24
航空發(fā)動機一直被譽為人類頂尖工業(yè)皇冠上的明珠。但最近十年，不斷挑戰(zhàn)物理學(xué)極限的半導(dǎo)體光刻機，大有挑戰(zhàn)明珠之王的趨勢。
航發(fā)是在極端高溫高壓下挑戰(zhàn)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(zhàn)激光波長和量子隧穿的極限。
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驕傲之花：前者保證了每天十萬架飛機在天空安全翱翔，后者在全球工廠每秒鐘刻出上千億個晶體管分毫不差。
2000年，成立15年當(dāng)時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，但還在琢磨怎么賣光刻機給那時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，在美國能源部和幾大芯片巨頭合建的EUV光刻聯(lián)盟里，ASML還只是個小配角。
這時下一代光刻技術(shù)發(fā)展會怎樣，整個半導(dǎo)體屆沒有人知道。
在轉(zhuǎn)折關(guān)頭，ASML決定另辟蹊徑，報價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(dāng)時在光刻機的市場份額只有不到8%，年營業(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買貴了，ASML股價當(dāng)天暴跌7.5%。
然而從后來的結(jié)果看，ASML等于花錢買了光刻機行業(yè)最值錢的門票：英特爾的vendor code，同時搖晃了尼康(Nikon)的支柱。此外，SVG擁有最成熟的157nm光學(xué)技術(shù)，等于ASML買了一個技術(shù)雙保險，這點后面會再詳述。
不過，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的阻撓，美國國防部審查說ASML董事長在一個曾經(jīng)違反禁令偷偷賣夜視鏡給伊拉克的荷蘭公司當(dāng)過董事。
中國公司的老對手美國外國投資委員會最終在收購協(xié)議上加了一堆條件，其中包括不許收購SVG負責(zé)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美國公司，享受到美國強勁的基礎(chǔ)科學(xué)帶來的巨大好處，為多年后在EUV一支獨秀做了有力的鋪墊。
光刻機的原理其實像幻燈機一樣簡單，就是把光通過帶電路圖的掩膜(Mask，后來也叫光罩)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，而那時晶圓也只有1英寸大小。
因此，光刻那時并不是高科技，半導(dǎo)體公司通常自己設(shè)計工裝和工具，比如英特爾開始是買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一點點相關(guān)設(shè)備。
60年代末，日本的尼康和佳能開始進入這個領(lǐng)域，畢竟當(dāng)時的光刻不比照相機復(fù)雜。
70年代初，光刻機技術(shù)更多集中在如何保證十個甚至更多個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公司做出了自動生產(chǎn)線，但接觸式機臺后來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(tǒng)，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。
1978年，GCA推出真正現(xiàn)代意義的自動化步進式光刻機(Stepper)，分辨率比投影式高5倍達到1微米。這個怪怪的名字來自于照相術(shù)語Step and Repeat，這臺機器通俗點說把透過掩膜的大約一平方厘米的一束光照在晶圓上，曝光完一塊挪個位置再刻下一塊。由于剛開始Stepper生產(chǎn)效率相對不高，Perkin Elmer在后面很長一段時間仍處于主導(dǎo)地位。
光刻機是個小市場，一年賣幾十臺的就算大廠了。因為半導(dǎo)體廠商就那么多，一臺機器又能用好多年。這導(dǎo)致你的機器落后一點，就沒人愿意買了。技術(shù)領(lǐng)先是奪取市場的關(guān)鍵，贏家通吃。
80年代一開始，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，擁有更先進的光學(xué)系統(tǒng)極大提高了產(chǎn)能。兩家一起擠壓了其它廠商的份額，尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市場份額從80年超過3成快速跌到84年不到5%。
看過我寫的《內(nèi)存的故事》的朋友都知道，80年代是日本半導(dǎo)體最風(fēng)光的時候，本土幾乎每家大公司大財閥都進入了半導(dǎo)體業(yè)。這給尼康和佳能雙雄帶來巨大的后盾，并開始反攻美國市場。
由于GCA的鏡片組來自蔡司，不像尼康自己擁有鏡頭技術(shù)，合作的問題使得GCA產(chǎn)品更新方面一直落后了半拍。1982年，尼康在硅谷設(shè)立尼康精機，開始從GCA手里奪下一個接一個大客戶：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果，震撼世界的廣告《1984》發(fā)布了第一代Mac(我現(xiàn)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的，雖然不能說不對，但是和大家想象的那樣子還是不同的。
飛利浦在實驗室里研發(fā)出stepper的原型，但是不夠成熟。因為光刻市場太小，飛利浦也不能確認它是否有商業(yè)價值，去美國和P&E、GCA、Cobilt、IBM等談了一圈沒人愿意合作。
有家荷蘭小公司叫ASM International的老板Arthur Del Prado聽說了有這么回事，主動要求合作。但這家代理出身的公司只有半導(dǎo)體前后道的經(jīng)驗，對光刻其實不太懂，等于算半個天使投資加半個分銷商。
飛利浦猶豫了一年時間，最后勉強同意了設(shè)立50:50的合資公司。1984年4月1日ASML成立的時候，只有31名員工，在飛利浦大廈外面的木板簡易房里工作。
ASML最早成立時的簡易平房，后面的玻璃大廈是飛利浦。Credit: ASML
ASML在頭一年只賣出一臺stepper，第二年賣出四臺。第一代產(chǎn)品不夠成熟，但是背靠飛利浦大樹的各種資源和容忍讓它生存了下來。
ASML在1985年和蔡司(Zeiss)合作改進光學(xué)系統(tǒng)，終于在1986年推出非常棒的第二代產(chǎn)品PAS-2500，并第一次賣到美國給當(dāng)時的創(chuàng)業(yè)公司Cypress，今天的Nor Flash巨頭。
有意思的是，1986年半導(dǎo)體市場大滑坡（比如光三星半導(dǎo)體就虧了3億美元），導(dǎo)致美國一幫光刻機廠商都碰到嚴重的財務(wù)問題。ASML還小，所以損失不大，還可以按既有計劃開發(fā)新產(chǎn)品。同期，GCA和P&E的新產(chǎn)品開發(fā)都停滯了下來。
1988年GCA資金嚴重匱乏被General Signal收購，又過了幾年GCA找不到買主被關(guān)閉。General Signal旗下另外一家Ultratech最終被MBO，但是規(guī)模也不大了。1990年，P&E光刻部也支撐不下去被賣給SVG。
1980年還占據(jù)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ASML還只有大約10%的市場占有率。
忽略掉美國被邊緣化的SVG、Ultratech等公司，90年代一直到現(xiàn)在的格局，一直是ASML和尼康的競爭，佳能在旁邊看熱鬧。
所以我們要開始講一點點技術(shù)了。
半導(dǎo)體領(lǐng)域的原生驅(qū)動力是摩爾定律。摩爾定律其實應(yīng)該被叫做摩爾預(yù)言，這個預(yù)言中間還改過一次。戈登摩爾博士1965年最早的預(yù)言是集成電路密度每年翻倍，而1975年他自己改成每兩年翻倍。
有人說，這是人類歷史上最偉大的“自我實現(xiàn)的預(yù)言”，因為英特爾就是照著這個預(yù)言一路狂奔數(shù)十年，直到光刻技術(shù)被卡在193nm上十多年變成網(wǎng)友說的“牙膏廠”。
為了實現(xiàn)摩爾定律，光刻技術(shù)就需要每兩年把曝光關(guān)鍵尺寸(CD)降低30%-50%。根據(jù)瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我們能做的就是降低波長λ，提高鏡頭的數(shù)值孔徑NA，降低綜合因素k1。
搞更短的波長是最直接的手段。90年代前半期，光刻開始使用波長365nm i-line，后半期開始使用248nm的KrF激光。激光的可用波長就那么幾個，00年代光刻開始使用193nm波長的DUV激光，這就是著名的ArF準分子激光，包括近視眼手術(shù)在內(nèi)的多種應(yīng)用都應(yīng)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。
但誰也沒想到，光刻光源被卡在193nm無法進步長達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：
157nm F2：每家都研究，但SVG和尼康離產(chǎn)品化最近。
157nm光會被現(xiàn)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的波長進步只有不到25%，研發(fā)投入產(chǎn)出比太低。ASML收購SVG后獲取了反射技術(shù)，2003年終于出品了157nm機器，但錯過時間窗口完敗于低成本的浸入式193nm。
13.5nm EUV LLC：英特爾，AMD，摩托羅拉和美國能源部。ASML、英飛凌和Micron后來加入。
關(guān)于EUV，我放到后面在說吧。
1nm 接近式X光：日本陣營(ASET, Mitsubishi, NEC, Toshiba, NTT)和 IBM
這算是個浪漫陣營吧，大家就沒想過產(chǎn)業(yè)化的事
0.004nm EBDW或EPL: 朗訊Bell實驗室，IBM，尼康。ASML和應(yīng)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技術(shù)擊敗ASML，但可惜這個決戰(zhàn)應(yīng)該發(fā)生在2020年而不是2005年，尼康沒有選錯技術(shù)但是選錯了時間。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。
0.00005nm IPL: 英飛凌、歐盟。ASML和萊卡等公司也有參與。
離子光刻從波長來看是最浪漫的，然而光刻分辨率不光由波長決定，還要看NA。人類現(xiàn)有科技可用離子光刻的光學(xué)系統(tǒng)NA是0.00001，比193nm的NA=0.5～1.5剛好差10萬倍，優(yōu)勢被抵消了。
以上所有努力，幾乎全部失敗了。
它們敗給了一個工程上最簡單的解決辦法，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。加上后來不斷改進的高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上提出了浸入式193nm的方案，隨后ASML在一年的時間內(nèi)就開發(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現(xiàn)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和各種獎項。
MIT的林肯實驗室似乎不服氣，他們認為自己在2001年就提出了這個浸入式方案。ASML似乎也沒有在任何書面說明自己開發(fā)是受林博士啟發(fā)。
其實油浸鏡頭改變折射率的方式由來已久，產(chǎn)業(yè)界爭論是誰的想法在先從來不重要，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(xiàn)實。
在ASML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，浸入式屬于小改進大效果，產(chǎn)品成熟度非常高，所以幾乎沒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)域是贏家通吃，新產(chǎn)品總是需要至少1-3年時間由前后道多家廠商通力磨合。別人比你早量產(chǎn)就比你多了時間去改善問題和提高良率。
光刻機就像印鈔機，材料成本可以忽略不計，而時間就像金子一樣珍貴。
半導(dǎo)體廠商更愿意去買成熟的ASML產(chǎn)品，不想去給尼康當(dāng)白鼠。
這導(dǎo)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(shè)備的日本半導(dǎo)體廠商的集體衰敗。
佳能在光刻領(lǐng)域一直沒爭過老大。當(dāng)年它的數(shù)碼相機稱霸世界利潤很好，對一年銷量只有百來臺的光刻機重視不夠。
佳能的思路是一款產(chǎn)品要賣很久，他們一看193nm尼康和ASML打得太厲害就直接撤了。直到現(xiàn)在佳能還在賣350nm和248nm的產(chǎn)品，給液晶面板以及模擬器件廠商供貨。
尼康在浸入式一戰(zhàn)敗下來就徹底沒有還手之力了，因為接下來EUV的開發(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(zhàn)摩爾定律的勇氣。
接下來，我們再說說EUV。這個產(chǎn)品其實是ASML在沒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有量產(chǎn)。
那它背后的驅(qū)動力是什么呢？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(zhàn)193nm的巨大難度，決心集合人類精英一起愚公移山，有點流浪地球的意思。他們說服了美國對高科技最開明的克林頓內(nèi)閣，以公司形式發(fā)起了EUV LLC這樣的一個合作組織。
這個組織由英特爾和美國能源部牽頭，集合了當(dāng)時還如日中天的摩托羅拉以及AMD，以及享有盛譽的美國三大國家實驗室：勞倫斯利弗莫爾實驗室，勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室，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)問題。
英特爾還力邀ASML和尼康加入EUV LLC，因為當(dāng)時美國光刻已經(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(jié)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(dāng)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(xiàn)實。
看當(dāng)年的一些回憶錄，說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，這個難度是巨大的。連空氣都能吸收EUV，所以機器內(nèi)部還得做成真空的。
傳統(tǒng)光刻用的很多透鏡因為會吸收X光要換成反射鏡，據(jù)說193nm的最新光刻機里鏡頭加起來就有一噸重，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(dāng)于拿個手電照到月球光斑不超過一枚硬幣。反射要求的鏡子要求長30cm起伏不到0.3nm，這相當(dāng)于是北京到上海做根鐵軌起伏不超過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。
EUV的小鏡子由德國蔡司生產(chǎn)，ASML還因此特地購買了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。
接下來留給ASML一個問題，是做還是不做呢？
好在ASML從來沒有猶豫過。2006年它推出原型，2007年建造了10000平米的超級無塵室，等著接待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(dān)這個人類的偉大工程，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10萬個零件，需要40個集裝箱運輸，安裝調(diào)試都要超過一年時間。
2020年，我們已經(jīng)能買到EUV加工出來的芯片做的手機了。
相信在未來，人類一定可以突破光學(xué)光刻機的極限，無論用電子離子還是最終放棄硅基。但是，就在剛寫完文章的現(xiàn)在，我只想衷心為這些偉大的公司喝彩。
需要強調(diào)的是，在半導(dǎo)體制造中，光刻只是其中的一個環(huán)節(jié)，另外還有無數(shù)先進科技用于前后道工藝。
正是因為他們不屈不撓的努力，才使得我們在這個一切由芯片驅(qū)動的偉大時代，享受著各種手機、電腦、家電、汽車飛機和互聯(lián)網(wǎng)帶給我們的精彩生活。