芯片|世界半导体技术发展的历程之光刻机发展的艰难，技术突破在于大胆尝试
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半导体产业七十年历史中 ， 光刻技术的改进 ， 不断推动芯片制程的升级 。 在集成电路出现之前 ， 电子器件靠手工连接 。 二战时 ， 美国的航母有35万个电子设备 ， 需要上千万个焊接点 ， 这导致维护工作繁琐 ， 很容易出现设备短路失灵 。
为了保证复杂的电路稳定工作 ， 贝尔实验室想出了一个办法 ， 将这些电路集成在指甲盖大小的硅片上 ， 怎么实现呢？
受到投影仪和照相机的启发 ， 他们将设计好的电路投射到硅片上 ， 以光为刀 ， 按照硅片上的阴影雕刻电路 ， 这就是光刻机的原型 。 贝尔实验室手握很多专利 ， 光刻技术就是其中之一 。
为了让更多企业受益 ， 美国政府以反垄断法威胁 ， 逼迫贝尔实验室释放技术 。 后来的美国半导体巨头就是这样培养起来的 ， 像GCA等公司获得光刻技术后 ， 马上推出自己的光刻机产品 ， 占据市场主导地位 。
贝尔实验室
可到了八十年代一切都变了 ， 日本超越美国成为半导体第一大国 。 全球前十大半导体公司日本占了六家 ， 而且前三名都是日本企业 。 当时日立、东芝、富士通的产品成为高质量的代表 ， 良品率远高于英特尔、德州仪器 ， 佳能、尼康研制的光刻机 ， 占据近一半市场份额 。 IBM、AMD几乎是堵在他们生产线门口 ， 等着产品下线抢购 ， 就跟我们今天急切等待EUV 光刻机交货一样 。
日本的半导体产品疯狂涌入美国 ， 美国公司的市场份额直线下降 ， 英特尔甚至准备放弃抵抗 ， 宣布破产 。 白宫一看 ， 照这样下去 ， 整个硅谷都会被日本碾压 ， 开始采取反制措施 。 一是 ， 对外技术关税大棒 ， 对日本的半导体征收高额惩罚性关税 ， 限制其出口；二是对内组建半导体制造技术联盟——SEMATECH ， 该组织由美国十四家半导体龙头企业组成 ， 包括英特尔、IBM、美光、惠普、摩托罗拉等 ， 联盟中的成员都是各家公司最优秀的研发人员 ， 他们在这里工作 ， 并不是研究具体的半导体技术 ， 而是开发最先进的半导体设备 。 因为该组织通过前期细致的调研发现 ， 设备是芯片制造的基础 ， 如何改进制造流程 ， 更好的使用设备 ， 相当于现在台积电和中芯国际所做的业务 ， 只有垄断设备制造才有更强的议价权利 。
SEMATECH总体上非常成功 。 1995年 ， 美国半导体产业全面恢复国际竞争力 ， 特别是半导体设备制造领域 ， 美国的地位至今无人可以撼动 。 SEMATECH是产业界发起的 ， 美国政府参与运营和管理 ， 国防部还专门为其设置专项经费 ， 每年一亿美元 。
不过SEMATECH存在一个问题 ， 对非主流技术不够重视 。 当时光刻技术不是芯片产业的核心问题 ， 佳能、尼康的光刻机市场份额超越美国后 ， 美国企业可以接受这两家日本供应商 ， SEMATECH将光刻技术排除在研发之外 。
到了1997年 ， 芯片集成度越来越高 ， 芯片制造难度越来越大 ， 光刻机的重要性越来越突出 。 为了摆脱对日本设备的依赖 ， 英特尔牵头成立极紫外联盟 ， 研究最先进的光刻技术 。 联盟中 ， 除了产业巨头 ， 还包括三大国家实验室 ， 劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、劳伦斯伯克利实验室 。 这些实验室是美国科技发展的幕后英雄 ， 研究成果有核武器 ， 超级计算机、核聚变点火装置 。
资金和人才到位后 ， 主角却上不了台面 。 美国之前的光刻机企业被日本公司打的七零八落 ， 没有一个人当重任 。 英特尔想拉尼康和阿斯麦尔一起入伙 ， 但问题是 ， 这两家公司都是外国的 ， 美国政府出面干预 ， 选择荷兰企业 ， 拒绝日本公司 。 尼康是敌人 ， 八十年代把美国半导体产业打压太惨 。 不过 ， 阿斯麦尔加入是有条件的 ， 必须在美国建立工厂和研发中心 ， 满足美国本土需求 ， 55%的零部件要从美国厂商采购 ， 并接受定期审查 。
美国为什么能让荷兰对华禁售EUV光刻机 ， 原因就在这 。 90年代 ， 尼康、佳能的光刻技术全球领先 ， 美国成立极紫外联盟 ， 相当于纠集了一群二流企业争夺老大的位置 。 当初阿斯麦尔公司只是一个不知名企业 ， 光刻机的市场份额很小 。 因机缘巧合傍上美国大腿之后 ， 之后好运接连不断 。
90年代末 ， 光刻机的光源卡在了193纳米 ， 成为难以突破的门槛 。 这里的193纳米说的是光的波长 ， 它和芯片制程的概念不一样 。 光的波长相当于刻刀的宽度 ， 芯片的制程指的是刻刀在硅片上刻出的最小宽度 。 从60年代开始 ， 这把刻刀从436纳米 ， 365纳米、248纳米到如今的193纳米 ， 再往下刻刀就要磨的更锋利 。 但技术出现分水岭 ， 尼康希望稳步前进 ， 选择157米的激光作为下一代刻刀 。 新成立的极紫外联盟 ， 押注更加激进的方案 ， 选择几十纳米的极紫外光 。 不过当时这些尝试都失败了 。
台积电林本坚
2002年 ， 台积电一个叫林本坚的工程提出浸润式光刻工艺 ， 利用了一个很简单的原理 ， 光在水中会产生折射 ， 在光刻机的透镜和硅片之间加一层水 。 原来的193纳米激光经过液体发射折射 ， 波长直接降到132纳米了 。 刻刀突破之前的瓶颈变得更锋利 ， 林本坚拿着方案去找日本公司 ， 希望他们采纳 ， 结果吃了闭门羹 。
阿斯麦尔决定赌一把 ， 采用林本坚的方案 ， 以小博大 ， 仅用一年时间就赶制出样机 。 新型光刻机经过测试性能优异 ， 获得IBM、台积电的大量订单 。 光刻机不是快消品 ， 企业花钱肯定是买最好的产品 。 日本企业没有拿出最好的产品 ， 只能停留在中低端 ， 逐渐落后 。
日本半导体公司有两个特点 ， 一是崇尚匠人精神 ， 非常固执的认为自己的技术最好 ， 宅在实验室里研究技术 ， 缺乏全球视野；二是 ， 售后服务差 ， 对客户提出了设备问题不能及时解决 ， 因为他们对自己的产品非常有信心 ，
在市场上 ， 阿斯麦尔生产的设备更受欢迎 。 他们的做法与日本公司相反 ， 采纳客户意见 ， 提供周到的售后服务 。 日本半导体企业衰落还有一个重要原因 ， 他们一直遵循IBM模式 。 芯片的设计制造、封装测试都尽量自己做 ， 不与他人分享利益 。
芯片越做越精密 ， 制造成本越来越大 ， 所有的活都自己干 ， 企业加重负担 。 90年代后 ， 分工合作的模式成为主流 。 设计公司只管设计 ， 代工企业专注于代工 ， 成本分摊压力减小 ， 能满足客户多样化需求 。
【芯片|世界半导体技术发展的历程之光刻机发展的艰难，技术突破在于大胆尝试】阿斯麦尔的新型光刻机对尼康、佳能造成致命打击后 ， 世界各大半导体厂商的订单蜂拥而至 。 之后 ， 随着光刻技术的不断改进 ， 浸入式光刻机一直做到现在的7纳米 。
看着阿斯麦尔日益壮大 ， 美国华尔街资本闻风而动 ， 大量购买这家公司股份实现控股 。 现在阿斯麦尔的三大股东资本国际集团、贝莱德、英特尔都来自美国 。 经过这些操作 ， 阿斯麦尔顺利成章的成为了半个美国公司 ， 美国光环也给阿斯麦尔带来好处 。
2009年 ， 美国的CYMER公司研发出EUV光刻机所需要的大功率光源 ， 成为阿斯麦尔的供应商 ， 这种光源是光刻技的核心零件 ， 全球有这样技术的公司不超过三家 。
2013年 ， 阿斯麦尔决定收购CYMER ， 美国政府同意了 。
而我们国产光刻机起步并不晚 。 从上世纪七十年代算起 ， 清华大学精密仪器系、中科院光电技术研究所、中国电科四十五所都投入力量研发 。 中国芯片起不来 ， 有一部分原因是买不到先进设备 。 在光刻技术上中国积累不足 ， 全球光刻机专利数量排名前十的公司 ， 除了台积电都是外国公司 。
目前芯片制程正在向五纳米以下涌进 ， 只有英特尔、台积电、三星等少数企业掌握最先进的芯片生产线 。 他们与原材料生产商、半导体设备商相互持股 ， 构成你中有我 ， 我中有你的垄断格局 。 光刻机作为最重要的芯片制造设备 ， 已经不是一个国家或几个企业能完成的工程 ， 必须与全球顶级的光源、光学、材料、关键零部件厂商进行合作 。 美国试图遏制中国半导体产业发展 ， 但我们不能因此放弃与国外技术的交流 。
中国企业要在一些关键领域实现突破 ， 掌握别人没有的技术 ， 高端光刻机制造 ， 才有我们的话语权 。
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