沒有光刻機，就沒有半導體
【CSDN編者按】1833年，英國科學家電子學之父法拉第首次發現半導體現象；1839年，法國的貝克萊爾發現了光生伏特效應，而這也是半導體 被人們發現 的第二個特徵；1873年，英國的史密斯發現了光電導效應；直到1947年12月，半導體的全部特性，才被貝爾實驗室全部總結完畢。
回憶往昔近兩百年，半導體市場經歷了日本上世紀80年代的風光，也經歷了英特爾和美國能源部的牽頭研究、以及廠商間的“廝殺”......
如今，半導體早已應用在尋常百姓家。而半導體的核心——光刻機，卻一直就像綠葉一樣，默默無聞地映襯著半導體這朵紅花。
那麼，兩個世紀的歲月流轉中，圍繞光刻機究竟曾發生過哪些讓人們津津樂道的故事？這，正是本文要為你娓娓道來的。
作者 | 金捷幡
責編 | 胡巍巍
航空發動機一直被譽為人類頂尖工業皇冠上的明珠。但最近十年，不斷挑戰物理學極限的半導體光刻機，大有挑戰明珠之王的趨勢。
航發是在極端高溫高壓下挑戰材料和能量密度的極限，而光刻是在比頭髮絲還細千倍的地方挑戰鐳射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，後者在全球工廠每秒鐘刻出上千億個電晶體分毫不差。
震撼一下，看看晶片內部 Credit: ASML，注：1nm=0.000000001米
引子
2000年，成立15年當時排名世界第二的荷蘭ASML（ 阿斯麥 ）公司已經成功佔領韓國和臺灣市場，但還在琢磨怎麼賣光刻機給那時晶片的絕對霸主英特爾（ Intel ）。
缺乏新一代157nm鐳射需要配置的反折射鏡頭技術也是讓ASML焦慮的地方。同時，在美國能源部和幾大晶片巨頭合建的EUV光刻聯盟裡，ASML還只是個小配角。
這時下一代光刻技術發展會怎樣，整個半導體屆沒有人知道。
在轉折關頭，ASML決定另闢蹊徑，報價16億美元收購市值只有10億的矽谷集團(SVG)。
曾經輝煌的SVG當時在光刻機的市場份額只有不到8%，年營業額只有2.7億美元，而且193nm產品水平還遠不如ASML。所以華爾街認為ASML買貴了，ASML股價當天暴跌7.5%。
然而從後來的結果看，ASML等於花錢買了光刻機行業最值錢的門票：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光學技術，等於ASML買了一個技術雙保險，這點後面會再詳述。
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董事長在一個曾經違反禁令偷偷賣夜視鏡給伊拉克的荷蘭公司當過董事。
中國公司的老對手美國外國投資委員會最終在收購協議上加了一堆條件，其中包括不許收購SVG負責打磨鏡片的子公司Tinsley，以及保證各種技術和人才留在美國。
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科學帶來的巨大好處，為多年後在EUV一支獨秀做了有力的鋪墊。
早期，60-70年代
光刻機的原理其實像幻燈機一樣簡單，就是把光通過帶電路圖的掩膜(Mask，後來也叫光罩)投影到塗有光敏膠的晶圓上。
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，光刻那時並不是高科技，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裝置。
60年代末，日本的尼康和佳能開始進入這個領域，畢竟當時的光刻不比照相機複雜。
70年代初，光刻機技術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並領先了幾年，Cobilt公司做出了自動生產線，但接觸式機臺後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汙染了。
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，因此迅速佔領了市場。
1978年，GCA推出真正現代意義的自動化步進式光刻機(Stepper)，解析度比投影式高5倍達到1微米。
這個怪怪的名字來自於照相術語Step and Repeat，這臺機器通俗點說把透過掩膜的大約一平方釐米的一束光照在晶圓上，曝光完一塊挪個位置再刻下一塊。
由於剛開始Stepper生產效率相對不高，Perkin Elmer在後面很長一段時間仍處於主導地位。
80年代，群雄爭霸
光刻機是個小市場，一年賣幾十臺的就算大廠了。因為半導體廠商就那麼多，一臺機器又能用好多年。這導致你的機器落後一點，就沒人願意買了。技術領先是奪取市場的關鍵，贏家通吃。
80年代一開始，GCA的Stepper還稍微領先，但很快尼康發售了自己首臺商用Stepper NSR-1010G，擁有更先進的光學系統極大提高了產能。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《記憶體的故事》的朋友都知道，80年代是日本半導體最風光的時候，本土幾乎每家大公司大財閥都進入了半導體業。這給尼康和佳能雙雄帶來巨大的後盾，並開始反攻美國市場。
由於GCA的鏡片組來自蔡司，不像尼康自己擁有鏡頭技術，合作的問題使得GCA產品更新方面一直落後了半拍。1982年，尼康在矽谷設立尼康精機，開始從GCA手裡奪下一個接一個大客戶：IBM、Intel、TI、AMD等。
到了1984年，尼康已經和GCA平起平坐，各享三成市佔率。Ultratech佔約一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家每家都不到5%。
為什麼我們要特地看1984年呢？
首先我們致敬一下蘋果，震撼世界的廣告《1984》釋出了第一代Mac(我現在打字電腦的老祖宗)。然後，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。
飛利浦在實驗室裡研發出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價值，去美國和P&E、GCA、Cobilt、IBM等談了一圈沒人願意合作。
有家荷蘭小公司叫ASM International的老闆Arthur Del Prado聽說了有這麼回事，主動要求合作。但這家代理出身的公司只有半導體前後道的經驗，對光刻其實不太懂，等於算半個天使投資加半個分銷商。
飛利浦猶豫了一年時間，最後勉強同意了設立50:50的合資公司。1984年4月1日ASML成立的時候，只有31名員工，在飛利浦大廈外面的木板簡易房裡工作。
ASML在頭一年只賣出一臺stepper，第二年賣出四臺。第一代產品不夠成熟，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)合作改進光學系統，終於在1986年推出非常棒的第二代產品PAS-2500，並第一次賣到美國給當時的創業公司Cypress，今天的Nor Flash巨頭。
有意思的是，1986年半導體市場大滑坡（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商都碰到嚴重的財務問題。ASML還小，所以損失不大，還可以按既有計劃開發新產品。同期，GCA和P&E的新產品開發都停滯了下來。
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給SVG。
1980年還佔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ASML還只有大約10%的市場佔有率。
波長的競爭
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。
所以我們要開始講一點點技術了。
半導體領域的原生驅動力是摩爾定律。摩爾定律其實應該被叫做摩爾預言，這個預言中間還改過一次。
戈登·摩爾博士1965年最早的預言是積體電路密度每年翻倍，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“自我實現的預言”，因為英特爾就是照著這個預言一路狂奔數十年，直到光刻技術被卡在193nm上十多年變成網友說的“牙膏廠”。
為了實現摩爾定律，光刻技術就需要每兩年把曝光關鍵尺寸(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λ，提高鏡頭的數值孔徑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，後半期開始使用248nm的KrF鐳射。
鐳射的可用波長就那麼幾個，00年代光刻開始使用193nm波長的DUV鐳射，這就是著名的ArF準分子鐳射，包括近視眼手術在內的多種應用都應用這種鐳射，相關鐳射發生器和光學鏡片等都比較成熟。
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晶片仍舊是193nm光源光刻出來的。
90年代末，科學家和產業界提出了各種超越193nm的方案，其中包括157nm F2鐳射，電子束投射(EPL)，離子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光，並形成了以下幾大陣營：
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157nm F2：每家都研究，但SVG和尼康離產品化最近。157nm光會被現有193nm機器用的鏡片吸收，光刻膠也要重新研製，所以改造難度極大，而對193nm的波長進步只有不到25%，研發投入產出比太低。ASML收購SVG後獲取了反射技術，2003年終於出品了157nm機器，但錯過時間視窗完敗於低成本的浸入式193nm。
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13.5nm EUV LLC：英特爾，AMD，摩托羅拉和美國能源部。ASML、英飛凌和Micron後來加入。關於EUV，我放到後面在說吧。
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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，大家就沒想過產業化的事。
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0.004nm EBDW或EPL: 朗訊Bell實驗室，IBM，尼康。ASML和應用材料被邀請加入後又率先退出。這是尼康和ASML對決的選擇，尼康試圖直接跨越到未來技術擊敗ASML，但可惜這個決戰應該發生在2020年而不是2005年，尼康沒有選錯技術但是選錯了時間。尼康最重要的技術盟友IBM在2001年也分心加入了EUV聯盟。
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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，然而光刻解析度不光由波長決定，還要看NA。人類現有科技可用離子光刻的光學系統NA是0.00001，比193nm的NA=0.5～1.5剛好差10萬倍，優勢被抵消了。
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，直接做到半週期65nm。加上後來不斷改進的高NA鏡頭、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術，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，隨後ASML在一年的時間內就開發出樣機，充分證明了該方案的工程友好性。
隨後，臺積電也是第一家實現浸入式量產的公司，隨後終於追上之前製程技術遙遙領先的英特爾，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是受林博士啟發。
其實油浸鏡頭改變折射率的方式由來已久，產業界爭論是誰的想法在先從來不重要，行勝於言。林博士的貢獻是臺積電和ASML通力合作把想法變成了現實。
日荷爭霸
在ASML推出浸入式193nm產品的前後腳，尼康也宣佈自己的157nm產品以及EPL產品樣機完成。然而，浸入式屬於小改進大效果，產品成熟度非常高，所以幾乎沒有人去訂尼康的新品。尼康被迫隨後也宣佈去做浸入式光刻機。
之前我們提到光刻領域是贏家通吃，新產品總是需要至少1-3年時間由前後道多家廠商通力磨合。別人比你早量產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。
半導體廠商更願意去買成熟的ASML產品，不想去給尼康當白鼠。
這導致後面尼康的大潰敗。尼康在2000年還是老大，但到了2009年ASML已經市佔率近7成遙遙領先。尼康新產品的不成熟，也間接關聯了大量使用其裝置的日本半導體廠商的集體衰敗。
佳能在光刻領域一直沒爭過老大。當年它的數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。直到現在佳能還在賣350nm和248nm的產品，給液晶面板以及模擬器件廠商供貨。
尼康在浸入式一戰敗下來就徹底沒有還手之力了，因為接下來EUV的開發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，我們再說說EUV。這個產品其實是ASML在沒有競爭對手的情況下研發的，而且做了十多年到今天也沒有量產。
那它背後的驅動力是什麼呢？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閣，以公司形式發起了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家，從理論上驗證EUV可能存在的技術問題。
英特爾還力邀ASML和尼康加入EUV LLC，因為當時美國光刻已經不太行了。但此舉受到美國政府的阻撓，因為他們捨不得讓外國公司分享美國最前沿技術。
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後被允許加入。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。
看當年的一些回憶錄，說英特爾自己並未派出多少工程師，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，所以機器內部還得做成真空的。
傳統光刻用的很多透鏡因為會吸收X光要換成反射鏡，據說193nm的最新光刻機裡鏡頭加起來就有一噸重，而這些技術都用不上了。
由於光刻精度是幾奈米，EUV對光的集中度要求極高，相當於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，這相當於是北京到上海做根鐵軌起伏不超過1毫米。
所以，EUV不僅是頂級科學的研究，也是頂級精密製造的學問。
EUV的小鏡子由德國蔡司生產，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的科學家發表了幾百篇論文，驗證了EUV光刻機的可行性。然後EUV LLC聯盟解散。
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人類的偉大工程，因為研發投入需要每年10億歐元。
2015年，可量產的樣機發布。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，安裝除錯都要超過一年時間。
明年，我們就能買到EUV加工出來的晶片做的手機了。
後記
相信在未來，人類一定可以突破光學光刻機的極限，無論用電子離子還是最終放棄矽基。但是，就在剛寫完文章的現在，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環節，另外還有無數先進科技用於前後道工藝。
正是因為他們不屈不撓的努力，才使得我們在這個一切由晶片驅動的偉大時代，享受著各種手機、電腦、家電、汽車飛機和網際網路帶給我們的精彩生活。
【END】
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