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創(chuàng)寶來芯資訊：光刻機(jī)之戰(zhàn)
發(fā)布時間：2023/5/24
航空發(fā)動機(jī)一直被譽(yù)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(jī)，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(xì)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(jī)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(jī)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(bào)價16億美元收購市值只有10億的硅谷集團(tuán)(SVG)。曾經(jīng)輝煌的SVG當(dāng)時在光刻機(jī)的市場份額只有不到8%，年?duì)I業(yè)額只有2.7億美元，而且193nm產(chǎn)品水平還遠(yuǎn)不如ASML。所以華爾街認(rèn)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(jī)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(xiǎn)，這點(diǎn)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(fù)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(qiáng)勁的基礎(chǔ)科學(xué)帶來的巨大好處，為多年后在EUV一支獨(dú)秀做了有力的鋪墊。
光刻機(jī)的原理其實(shí)像幻燈機(jī)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(jì)工裝和工具，比如英特爾開始是買16毫米攝像機(jī)鏡頭拆了用。只有GCA, K&S和Kasper等很少幾家公司有做過一點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)設(shè)備。
60年代末，日本的尼康和佳能開始進(jìn)入這個領(lǐng)域，畢竟當(dāng)時的光刻不比照相機(jī)復(fù)雜。
70年代初，光刻機(jī)技術(shù)更多集中在如何保證十個甚至更多個掩膜版精準(zhǔn)地套刻在一起。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對齊機(jī)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(jī)臺后來被接近式機(jī)臺所淘汰，因?yàn)檠谀ず凸饪棠z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(jìn)式光刻機(jī)(Stepper)，分辨率比投影式高5倍達(dá)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(jī)器通俗點(diǎn)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(jī)是個小市場，一年賣幾十臺的就算大廠了。因?yàn)榘雽?dǎo)體廠商就那么多，一臺機(jī)器又能用好多年。這導(dǎo)致你的機(jī)器落后一點(diǎn)，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(jìn)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(cái)閥都進(jìn)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(jī)，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(shí)驗(yàn)室里研發(fā)出stepper的原型，但是不夠成熟。因?yàn)楣饪淌袌鎏。w利浦也不能確認(rèn)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(yàn)，對光刻其實(shí)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(qiáng)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(jìn)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(jī)廠商都碰到嚴(yán)重的財(cái)務(wù)問題。ASML還小，所以損失不大，還可以按既有計(jì)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(yán)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(diǎn)點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)的預(yù)言”，因?yàn)橛⑻貭柧褪钦罩@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(shí)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(zhǔn)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(jìn)步長達(dá)20年。直到今天，我們用的所有手機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(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(jī)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(jiān)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(jī)，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(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(yù)和各種獎項(xiàng)。
MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室似乎不服氣，他們認(rèn)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(shí)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(xiàn)是臺積電和ASML通力合作把想法變成了現(xiàn)實(shí)。
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(jī)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(jī)。
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(jī)就像印鈔機(jī)，材料成本可以忽略不計(jì)，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(jī)稱霸世界利潤很好，對一年銷量只有百來臺的光刻機(jī)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?yàn)榻酉聛鞥UV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(shí)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(xiàn)，英特爾絕對是最堅(jiān)定的支持者，因?yàn)樗氖姑痪褪亲屇柖勺呦氯ァ?/span>
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(diǎn)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(yù)的美國三大國家實(shí)驗(yàn)室：勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室，勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室，投資兩億美元集合幾百位頂級科學(xué)家，從理論上驗(yàn)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?yàn)楫?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?yàn)樗麄兩岵坏米屚鈬痉窒砻绹钋把丶夹g(shù)。
最終結(jié)果是尼康被排除在外，ASML做了一堆對美國貢獻(xiàn)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(jiān)定地選了EUV，而且讓它最終成為了現(xiàn)實(shí)。
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(xiàng)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(jī)需要非常非常強(qiáng)的光源，這個難度是巨大的。連空氣都能吸收EUV，所以機(jī)器內(nèi)部還得做成真空的。
傳統(tǒng)光刻用的很多透鏡因?yàn)闀誜光要換成反射鏡，據(jù)說193nm的最新光刻機(jī)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(yàn)證了EUV光刻機(jī)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(jī)：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?yàn)檠邪l(fā)投入需要每年10億歐元。
2015年，可量產(chǎn)的樣機(jī)發(fā)布。雖然售價高達(dá)1.2億美元一臺，但還是收到雪片一樣的訂單。排隊(duì)等交貨，都要等好幾年。
一臺EUV光刻機(jī)重達(dá)180噸，超過10萬個零件，需要40個集裝箱運(yùn)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(jī)了。
相信在未來，人類一定可以突破光學(xué)光刻機(jī)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(qiáng)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(jìn)科技用于前后道工藝。
正是因?yàn)樗麄儾磺粨系呐Γ攀沟梦覀冊谶@個一切由芯片驅(qū)動的偉大時代，享受著各種手機(jī)、電腦、家電、汽車飛機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)帶給我們的精彩生活。