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光刻机之战

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发表于 2019-5-13 11:35:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
航空发动机不停被誉为人类顶尖工业皇冠上的明珠。但迩来十年,不绝挑衅物理学极限的半导体光刻机,大有挑衅明珠之王的趋势。
航发是在非常高温高压下挑衅质料和能量密度的极限,而光刻是在比头发丝还细千倍的地方挑衅激光波长和量子隧穿的极限。
更难过的是,和低可靠性的航天高科技差别,航发和光刻的可靠性也是人类自满之花:前者包管了每天十万架飞机在天空安全翱翔,后者在举世工厂每秒钟刻出上千亿个晶体管分绝不差。
引子 聽
2000 年,建立 15 年当时排名天下第二的荷兰 ASML ( 阿斯麦 ) 公司已经乐成霸占韩国和台湾市场,但还在琢磨怎么卖光刻机给当时芯片的绝对霸主英特尔 ( Intel ) 。
缺乏新一代 157nm 激光必要设置的反折射镜头技能也是让 ASML 焦虑的地方。同时,在美国能源部和几大芯片巨头合建的 EUV 光刻同盟里,ASML 还只是个小副角。
这时下一代光刻技能发展会怎样,整个半导体届没有人知道。
在迁移厘革关头,ASML 决定另辟蹊径,报价 16 亿美元收购市值只有 10 亿的硅谷团体 ( SVG ) 。曾经光辉的 SVG 当时在光刻机的市场份额只有不到 8%,年业务额只有 2.7 亿美元,而且 193nm 产物水平还远不如 ASML。以是华尔街以为 ASML 买贵了,ASML 股价当天暴跌 7.5%。
然而从厥后的效果看,ASML 等于花钱买了光刻机行业最值钱的门票:英特尔的 vendor code,同时摇摆了尼康 ( Nikon ) 的支柱。别的,SVG 拥有最成熟的 157nm 光学技能,等于 ASML 买了一个技能双保险,这点背面会再详述。
不外,别以为西方人都是一家子。这次收购仍遭到美国政府和商会的阻挠,美国国防部检察说 ASML 董事长在一个曾经违反禁令偷偷卖夜视镜给伊拉克的荷兰公司当过董事。
中国公司的老对手美国外国投资委员会终极在收购协议上加了一堆条件,此中包罗不许收购 SVG 负责打磨镜片的子公司 Tinsley,以及包管各种技能和人才留在美国。
这些条件反而让 ASML 顺理成章地成为了半个美国公司,享受到美国强劲的根本科学带来的巨大长处,为多年后在 EUV 一支独秀做了有力的铺垫。
早期,60-70 年代
光刻机的原理实在像幻灯机一样简朴,就是把光通过带电路图的掩膜 ( Mask,厥后也叫光罩 ) 投影到涂有光敏胶的晶圆上。早期 60 年代的光刻,掩膜版是 1:1 尺寸紧贴在晶圆片上,而当时晶圆也只有 1 英寸巨细。
因此,光刻当时并不是高科技,半导体公司通常本身筹划工装和工具,比如英特尔开始是买 16 毫米摄像机镜头拆了用。只有 GCA, K&S 和 Kasper 等很少几家公司有做过一点点相干装备。
60 年代末,日本的尼康和佳能开始进入这个范畴,毕竟当时的光刻不比照相机复杂。
70 年代初,光刻机技能更多会合在怎样包管十个乃至更多个掩膜版精准地套刻在一起。Kasper 仪器公司起首推出了打仗式对齐机台并领先了几年,Cobilt 公司做出了自动生产线,但打仗式机台厥后被靠近式机台所镌汰,由于掩膜和光刻胶多次遇到一起太容易污染了。
1973 年,拿到美国军方投资的 Perkin Elmer 公司推出了投影式光刻体系,搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高,因此迅速霸占了市场。
1978 年,GCA 推出真正当代意义的自动化步进式光刻机 ( Stepper ) ,分辨率比投影式高 5 倍到达 1 微米。这个怪怪的名字来自于照相术语 Step and Repeat,这台呆板通俗点说把透过掩膜的约莫一平方厘米的一束光照在晶圆上,曝光完一块挪个位置再刻下一块。由于刚开始 Stepper 生产服从相对不高,Perkin Elmer 在背面很长一段时间仍处于主导职位。
80 年代,群雄争霸
光刻机是个小市场,一年卖几十台的就算大厂了。由于半导体厂商就那么多,一台呆板又能用很多多少年。这导致你的呆板落后一点,就没人乐意买了。技能领先是夺取市场的关键,赢家通吃。
80 年代一开始,GCA 的 Stepper 还轻微领先,但很快尼康发售了本身首台商用 Stepper NSR-1010G,拥有更先辈的光学体系极大进步了产能。两家一起挤压了其它厂商的份额,尤其是 Perkin Elmer 的投影式光刻。P&E 的市场份额从 80 年高出 3 成快速跌到 84 年不到 5%。
看过我写的《内存的故事》的朋侪都知道,80 年代是日本半导体最风光的时间,本土险些每家大公司大财阀都进入了半导体业。这给尼康和佳能双雄带来巨大的后援,并开始反攻美国市场。
由于 GCA 的镜片组来自蔡司,不像尼康本身拥有镜头技能,合作的题目使得 GCA 产物更新方面不停落后了半拍。1982 年,尼康在硅谷设立尼康精机,开始从 GCA 手里夺下一个接一个大客户:IBM、Intel、TI、AMD 等。
到了 1984 年,尼康已经和 GCA 旗鼓相当,各享三成市占率。Ultratech 占约一成,Eaton、P&E、佳能、日立等剩下几家每家都不到 5%。
为什么我们要专程看 1984 年呢?
起首我们致敬一下苹果,震撼天下的广告《1984》发布了第一代 Mac ( 我如今打字电脑的老祖宗 ) 。然后,请出我们故事的主角:ASML。
ASML 被广为流传成是飞利浦分离的出来的,固然不能说不对,但是和各人想象的那样子照旧差别的。
飞利浦在实行室里研发出 stepper 的原型,但是不敷成熟。由于光刻市场太小,飞利浦也不能确认它是否有贸易代价,去美国和 P&E、GCA、Cobilt、IBM 等谈了一圈没人乐意合作。
有家荷兰小公司叫 ASM International 的老板 Arthur Del Prado 听说了有这么回事,自动要求合作。但这家署理出身的公司只有半导体前后道的履历,对光刻实在不太懂,等于算半个天使投资加半个分销商。
飞利浦犹豫了一年时间,末了勉强同意了设立 50:50 的合资公司。1984 年 4 月 1 日 ASML 建立的时间,只有 31 名员工,在飞利浦大厦外貌的木板浅易房里工作。

ASML 最早建立时的浅易平房,背面的玻璃大厦是飞利浦。Credit: ASML
ASML 在头一年只卖出一台 stepper,第二年卖出四台。第一代产物不敷成熟,但是背靠飞利浦大树的各种资源和容忍让它生存了下来。
ASML 在 1985 年和蔡司 ( Zeiss ) 合作改进光学体系,终于在 1986 年推出非常棒的第二代产物 PAS-2500,并第一次卖到美国给当时的创业公司 Cypress,本日的 Nor Flash 巨头。
故意思的是,1986 年半导体市场大滑坡(比如光三星半导体就亏了 3 亿美元),导致美国一帮光刻机厂商都遇到严峻的财政题目。ASML 还小,以是丧失不大,还可以按既有筹划开发新产物。同期,GCA 和 P&E 的新产物开发都停滞了下来。
1988 年 GCA 资金严峻匮乏被 General Signal 收购,又过了几年 GCA 找不到买主被关闭。General Signal 旗下别的一家 Ultratech 终极被 MBO,但是规模也不大了。1990 年,P&E 光刻部也支持不下去被卖给 SVG。
1980 年还占据泰半壁山河的美国三雄,到 80 年代末职位完全被日本双雄取代。这时 ASML 还只有约莫 10% 的市场占有率。
波长的竞争
忽略掉美国被边沿化的 SVG、Ultratech 等公司,90 年代不停到如今的格局,不停是 ASML 和尼康的竞争,佳能在旁边看热闹。
以是我们要开始讲一点点技能了。
半导体范畴的原生驱动力是摩尔定律。摩尔定律实在应该被叫做摩尔预言,这个预言中心还改过一次。戈登摩尔博士 1965 年最早的预言是集成电路密度每年翻倍,而 1975 年他本身改成每两年翻倍。
有人说,这是人类汗青上最巨大的 " 自我实现的预言 ",由于英特尔就是照着这个预言一起狂奔数十年,直到光刻技能被卡在 193nm 上十多年变成网友说的 " 牙膏厂 "。
为了实现摩尔定律,光刻技能就必要每两年把曝光关键尺寸 ( CD ) 低落 30%-50%。根据瑞利公式:CD=k1* ( 位/NA ) ,我们能做的就是低落波长 位,进步镜头的数值孔径 NA,低落综合因素 k1。
搞更短的波长是最直接的手段。90 年代前半期,光刻开始使用波长 365nm i-line,后半期开始使用 248nm 的 KrF 激光。激光的可用波长就那么几个,00 年代光刻开始使用 193nm 波长的 DUV 激光,这就是闻名的 ArF 准分子激光,包罗近视眼手术在内的多种应用都应用这种激光,相干激光发生器和光学镜片等都比力成熟。
但谁也没想到,光刻光源被卡在 193nm 无法进步长达 20 年。直到本日,我们用的全部手机电脑主芯片仍旧是 193nm 光源光刻出来的。
90 年代末,科学家和产业界提出了各种逾越 193nm 的方案,此中包罗 157nm F2 激光,电子束投射 ( EPL ) ,离子投射 ( IPL ) 、EUV ( 13.5nm ) 和 X 光,并形成了以下几大阵营:
157nm F2:每家都研究,但 SVG 和尼康离产物化迩来。
157nm 光会被现有 193nm 呆板用的镜片罗致,光刻胶也要重新研制,以是改造难度极大,而对 193nm 的波上进步只有不到 25%,研发投入产出比太低。ASML 收购 SVG 后获取了反射技能,2003 年末于出品了 157nm 呆板,但错过期间窗口完败于低资源的浸入式 193nm。
13.5nm EUV LLC:英特尔,AMD,摩托罗拉和美国能源部。ASML、英飞凌和 Micron 厥后参加。
关于 EUV,我放到背面在说吧。
1nm 靠近式 X 光:日本阵营 ( ASET, Mitsubishi, NEC, Toshiba, NTT ) 和 IBM
这算是个浪漫阵营吧,各人就没想过产业化的事
0.004nm EBDW 或 EPL: 朗讯 Bell 实行室,IBM,尼康。ASML 和应用质料被约请参加后又率先退出。
这是尼康和 ASML 对决的选择,尼康试图直接高出到未来技能击败 ASML,但惋惜这个决斗应该发生在 2020 年而不是 2005 年,尼康没有选错技能但是选错了时间。尼康最告急的技能盟友 IBM 在 2001 年也分心参加了 EUV 同盟。
0.00005nm IPL: 英飞凌、欧盟。ASML 和莱卡等公司也有到场。
离子光刻从波长来看是最浪漫的,然而光刻分辨率不但由波长决定,还要看 NA。人类现有科技可用离子光刻的光学体系 NA 是 0.00001,比 193nm 的 NA=0.5~1.5 刚好差 10 万倍,上风被抵消了。
以上全部积极,险些全部失败了。
它们败给了一个工程上最简朴的办理办法,在晶圆光刻胶上方加 1mm 厚的水。水可以把 193nm 的光波长折射成 134nm。
浸入式光刻乐成翻越了 157nm 大关,直接做到半周期 65nm。加上厥后不绝改进的高 NA 镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技能,浸入式 193nm 光刻机不停做到本日的 7nm ( 苹果 A12 和华为麒麟 980 ) 。
2002 年台积电的林本坚博士在一次研讨会上提出了浸入式 193nm 的方案,随后 ASML 在一年的时间内就开发出样机,充实证明白该方案的工程友爱性。
随后,台积电也是第一家实现浸入式量产的公司,随后终于追上之前制程技能遥遥领先的英特尔,林博士因此得到了高贵的荣誉和各种奖项。
MIT 的林肯实行室好像不平气,他们以为本身在 2001 年就提出了这个浸入式方案。ASML 好像也没有在任何书面阐明本身开发是受林博士启发。
实在油浸镜头改变折射率的方式由来已久,产业界争论是谁的想法在先从来不告急,行胜于言。林博士的贡献是台积电和 ASML 共同积极把想法变成了实际。
日荷争霸
在 ASML 推出浸入式 193nm 产物的前后脚,尼康也公布本身的 157nm 产物以及 EPL 产物样机完成。然而,浸入式属于小改进大效果,产物成熟度非常高,以是险些没有人去订尼康的新品。尼康被迫随后也公布去做浸入式光刻机。
之前我们提到光刻范畴是赢家通吃,新产物总是必要至少 1-3 年时间由前后道多家厂商通力磨合。别人比你早量产就比你多了时间去改善题目和进步良率。
光刻机就像印钞机,质料资源可以忽略不计,而时间就像金子一样珍贵。
半导体厂商更乐意去买成熟的 ASML 产物,不想去给尼康当白鼠。
这导致背面尼康的大溃败。尼康在 2000 年照旧老大,但到了 2009 年 ASML 已经市占率近 7 成遥遥领先。尼康新产物的不成熟,也间接关联了大量使用其装备的日本半导体厂商的团体衰败。
佳能在光刻范畴不停没争过老大。当年它的数码相机称霸天下利润很好,对一年销量只有百来台的光刻呆板重不敷。
佳能的思绪是一款产物要卖很久,他们一看 193nm 尼康和 ASML 打得太厉害就直接撤了。直到如今佳能还在卖 350nm 和 248nm 的产物,给液晶面板以及模仿器件厂商供货。
尼康在浸入式一败北下来就彻底没有还手之力了,由于接下来 EUV 的开发必要投入巨资而且远景未卜,英特尔倒向 ASML 使得尼康失去了挑衅摩尔定律的勇气。
EUV 光刻机
接下来,我们再说说 EUV。这个产物实在是 ASML 在没有竞争对手的情况下研发的,而且做了十多年到本日也没有量产。
那它背后的驱动力是什么呢?我看了一些文献,英特尔绝对是最刚强的支持者,由于它的任务之一就是让摩尔定律走下去。
早在 1997 年,英特尔看到挑衅 193nm 的巨浩劫度,决心聚集人类精英一起愚公移山,有点流离地球的意思。他们说服了美国对高科技最开明的克林顿内阁,以公司情势发起了 EUV LLC 如许的一个合作构造。
这个构造由英特尔和美国能源部牵头,聚集了当时还方兴未艾的摩托罗拉以及 AMD,以及享有盛誉的美国三大国家实行室:劳伦斯利弗莫尔实行室,劳伦斯伯克利实行室和桑迪亚国家实行室,投资两亿美元聚集几百位顶级科学家,从理论上验证 EUV 大概存在的技能题目。
英特尔还力邀 ASML 和尼康参加 EUV LLC,由于当时美国光刻已经不太行了。但此举受到美国政府的阻挠,由于他们舍不得让外国公司分享美国最前沿技能。
终极效果是尼康被清除在外,ASML 做了一堆对美国贡献的答应后被答应参加。别的一家例外的非美国公司是英飞凌,它被答应和 Micron 一起参加 EUV LLC。
我们回看当年各种高出 193nm 的技能方案,很多公司是左右下注的,只有英特尔刚强地选了 EUV,而且让它终极成为了实际。
看当年的一些回想录,说英特尔本身并未派出多少工程师,但是列了几百项困难不停拿着小鞭子督促那些科学家不绝地积极。
EUV 算是软 X 光,穿透物体时散射罗致都非常厉害,这使得光刻机必要非常非常强的光源,这个难度是巨大的。连氛围都能罗致 EUV,以是呆板内部还得做成真空的。
传统光刻用的很多透镜由于会罗致 X 光要换成反射镜,听说 193nm 的最新光刻机里镜头加起来就有一吨重,而这些技能都用不上了。
由于光刻精度是几纳米,EUV 对光的会合度要求极高,相称于拿个手电照到月球光斑不高出一枚硬币。反射要求的镜子要求长 30cm 升沉不到 0.3nm,这相称于是北京到上海做根铁轨升沉不高出 1 毫米。
以是,EUV 不但是顶级科学的研究,也是顶级细密制造的学问。
EUV 的小镜子由德国蔡司生产,ASML 还因此专程购买了 Carl Zeiss SMT 公司 24.5% 的股份。
1997 年 -2003 年,6 年间 EUV LLC 的科学家发表了几百篇论文,验证了 EUV 光刻机的可行性。然后 EUV LLC 同盟遣散。
接下来留给 ASML 一个题目,是做照旧不做呢?
幸亏 ASML 从来没有犹豫过。2006 年它推出原型,2007 年制作了 10000 平米的超等无尘室,等着欢迎 2010 年诞生的第一台研发用样机:NXE3100。
2012 年,ASML 请英特尔、三星和台积电入股本身,盼望各人共同负担这个人类的巨大工程,由于研发投入必要每年 10 亿欧元。
2015 年,可量产的样机发布。固然售价高达 1.2 亿美元一台,但照旧收到雪片一样的订单。列队等交货,都要等好几年。
一台 EUV 光刻机重达 180 吨,高出 10 万个零件,必要 40 个集装箱运输,安装调试都要高出一年时间。
来岁,我们就能买到 EUV 加工出来的芯片做的手机了。

EUV 光刻机 Credit: ASML
跋文
信任在未来,人类肯定可以突破光学光刻机的极限,无论用电子离子照旧终极放弃硅基。但是,就在刚写完文章的如今,我只想衷心为这些巨大的公司喝采。
必要夸大的是,在半导体制造中,光刻只是此中的一个环节,别的另有无数先辈科技用于前后道工艺。
正是由于他们不屈不挠的积极,才使得我们在这个齐备由芯片驱动的巨大时代,享受着各种手机、电脑、家电、汽车飞机和互联网带给我们的出色生存。
(全文完,谢谢阅读)

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