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光刻机的发展历程( 二 )

光刻机的发展历程
ASML最早成立时的简易平房 ， 后面的玻璃大厦是飞利浦 。 Credit: ASMLASML在头一年只卖出一台stepper ， 第二年卖出四台 。 第一代产品不够成熟 ， 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)合作改进光学系统 ， 终于在1986年推出非常棒的第二代产品PAS-2500 ， 并第一次卖到美国给当时的创业公司Cypress ， 今天的Nor Flash巨头 。有意思的是 ， 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碰到严重的财务问题 。 ASML还小 ， 所以损失不大 ， 还可以按既有计划开发新产品 。 同期 ， GCA和P&E的新产品开发都停滞了下来 。1988年GCA资金严重匮乏被General Signal收购 ， 又过了几年GCA找不到买主被关闭 。 General Signal旗下另外一家Ultratech最终被MBO ， 但是规模也不大了 。 1990年 ， P&E光刻部也支撑不下去被卖给SVG 。1980年还占据大半壁江山的美国三雄 ， 到80年代末地位完全被日本双雄取代 。 这时ASML还只有大约10%的市场占有率 。波长的竞争忽略掉美国被边缘化的SVG、Ultratech等公司 ， 90年代一直到现在的格局 ， 一直是ASML和尼康的竞争 ， 佳能在旁边看热闹 。所以我们要开始讲一点点技术了 。半导体领域的原生驱动力是摩尔定律 。 摩尔定律其实应该被叫做摩尔预言 ， 这个预言中间还改过一次 。 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年他自己改成每两年翻倍 。有人说 ， 这是人类历史上最伟大的“自我实现的预言” ， 因为英特尔就是照着这个预言一路狂奔数十年 ， 直到光刻技术被卡在193nm上十多年变成网友说的“牙膏厂” 。为了实现摩尔定律 ， 光刻技术就需要每两年把曝光关键尺寸(CD)降低30%-50% 。 根据瑞利公式：CD=k1*(λ/NA) ， 我们能做的就是降低波长λ ， 提高镜头的数值孔径NA ， 降低综合因素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 ， 这就是著名的ArF准分子激光 ， 包括近视眼手术在内的多种应用都应用这种激光 ， 相关激光发生器和光学镜片等都比较成熟 。但谁也没想到 ， 光刻光源被卡在193nm无法进步长达20年 。 直到今天 ， 我们用的所有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超越193nm的方案 ， 其中包括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和尼康离产品化最近 。157nm光会被现有193nm机器用的镜片吸收 ， 光刻胶也要重新研制 ， 所以改造难度极大 ， 而对193nm的波长进步只有不到25% ， 研发投入产出比太低 。 ASML收购SVG后获取了反射技术 ， 2003年终于出品了157nm机器 ， 但错过时间窗口完败于低成本的浸入式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后来加入 。关于EUV ， 我放到后面在说吧 。1nm 接近式X光：日本阵营(ASET, Mitsubishi, NEC, Toshiba, NTT)和 IBM这算是个浪漫阵营吧 ， 大家就没想过产业化的事0.004nm EBDW或EPL: 朗讯Bell实验室 ， IBM ， 尼康 。 ASML和应用材料被邀请加入后又率先退出 。这是尼康和ASML对决的选择 ， 尼康试图直接跨越到未来技术击败ASML ， 但可惜这个决战应该发生在2020年而不是2005年 ， 尼康没有选错技术但是选错了时间 。 尼康最重要的技术盟友IBM在2001年也分心加入了EUV联盟 。0.00005nm IPL: 英飞凌、欧盟 。 ASML和莱卡等公司也有参与 。离子光刻从波长来看是最浪漫的 ， 然而光刻分辨率不光由波长决定 ， 还要看NA 。 人类现有科技可用离子光刻的光学系统NA是0.00001 ， 比193nm的NA=0.5～1.5刚好差10万倍 ， 优势被抵消了 。以上所有努力 ， 几乎全部失败了 。它们败给了一个工程上最简单的解决办法 ， 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 。浸入式光刻成功翻越了157nm大关 ， 直接做到半周期65nm 。 加上后来不断改进的高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术 ， 浸入式193nm光刻机一直做到今天的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 ， 充分证明了该方案的工程友好性 。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术遥遥领先的英特尔 ， 林博士因此获得了崇高的荣誉和各种奖项 。MIT的林肯实验室似乎不服气 ， 他们认为自己在2001年就提出了这个浸入式方案 。 ASML似乎也没有在任何书面说明自己开发是受林博士启发 。其实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重要 ， 行胜于言 。 林博士的贡献是台积电和ASML通力合作把想法变成了现实 。日荷争霸在ASML推出浸入式193nm产品的前后脚 ， 尼康也宣布自己的157nm产品以及EPL产品样机完成 。 然而 ， 浸入式属于小改进大效果 ， 产品成熟度非常高 ， 所以几乎没有人去订尼康的新品 。 尼康被迫随后也宣布去做浸入式光刻机 。之前我们提到光刻领域是赢家通吃 ， 新产品总是需要至少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问题和提高良率 。光刻机就像印钞机 ， 材料成本可以忽略不计 ， 而时间就像金子一样珍贵 。半导体厂商更愿意去买成熟的ASML产品 ， 不想去给尼康当白鼠 。这导致后面尼康的大溃败 。 尼康在2000年还是老大 ， 但到了2009年ASML已经市占率近7成遥遥领先 。 尼康新产品的不成熟 ， 也间接关联了大量使用其设备的日本半导体厂商的集体衰败 。佳能在光刻领域一直没争过老大 。 当年它的数码相机称霸世界利润很好 ， 对一年销量只有百来台的光刻机重视不够 。佳能的思路是一款产品要卖很久 ， 他们一看193nm尼康和ASML打得太厉害就直接撤了 。 直到现在佳能还在卖350nm和248nm的产品 ， 给液晶面板以及模拟器件厂商供货 。尼康在浸入式一战败下来就彻底没有还手之力了 ， 因为接下来EUV的开发需要投入巨资而且前景未卜 ， 英特尔倒向ASML使得尼康失去了挑战摩尔定律的勇气 。EUV光刻机接下来 ， 我们再说说EUV 。 这个产品其实是ASML在没有竞争对手的情况下研发的 ， 而且做了十多年到今天也没有量产 。那它背后的驱动力是什么呢？我看了一些文献 ， 英特尔绝对是最坚定的支持者 ， 因为它的使命之一就是让摩尔定律走下去 。早在1997年 ， 英特尔看到挑战193nm的巨大难度 ， 决心集合人类精英一起愚公移山 ， 有点流浪地球的意思 。 他们说服了美国对高科技最开明的克林顿内阁 ， 以公司形式发起了EUV LLC这样的一个合作组织 。这个组织由英特尔和美国能源部牵头 ， 集合了当时还如日中天的摩托罗拉以及AMD ， 以及享有盛誉的美国三大国家实验室：劳伦斯利弗莫尔实验室 ， 劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚国家实验室 ， 投资两亿美元集合几百位顶级科学家 ， 从理论上验证EUV可能存在的技术问题 。英特尔还力邀ASML和尼康加入EUV LLC ， 因为当时美国光刻已经不太行了 。 但此举受到美国政府的阻挠 ， 因为他们舍不得让外国公司分享美国最前沿技术 。最终结果是尼康被排除在外 ， ASML做了一堆对美国贡献的许诺后被允许加入 。 另外一家例外的非美国公司是英飞凌 ， 它被允许和Micron一起加入EUV LLC 。我们回看当年各种跨越193nm的技术方案 ， 很多公司是左右下注的 ， 只有英特尔坚定地选了EUV ， 而且让它最终成为了现实 。看当年的一些回忆录 ， 说英特尔自己并未派出多少工程师 ， 但是列了几百项难题一直拿着小鞭子督促那些科学家不停地努力 。EUV算是软X光 ， 穿透物体时散射吸收都非常厉害 ， 这使得光刻机需要非常非常强的光源 ， 这个难度是巨大的 。 连空气都能吸收EUV ， 所以机器内部还得做成真空的 。传统光刻用的很多透镜因为会吸收X光要换成反射镜 ， 据说193nm的最新光刻机里镜头加起来就有一吨重 ， 而这些技术都用不上了 。由于光刻精度是几纳米 ， EUV对光的集中度要求极高 ， 相当于拿个手电照到月球光斑不超过一枚硬币 。 反射要求的镜子要求长30cm起伏不到0.3nm ， 这相当于是北京到上海做根铁轨起伏不超过1毫米 。所以 ， EUV不仅是顶级科学的研究 ， 也是顶级精密制造的学问 。EUV的小镜子由德国蔡司生产 ， ASML还因此特地购买了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联盟解散 。接下来留给ASML一个问题 ， 是做还是不做呢？好在ASML从来没有犹豫过 。 2006年它推出原型 ， 2007年建造了10000平米的超级无尘室 ， 等着接待2010年诞生的第一台研发用样机：NXE3100 。2012年 ， ASML请英特尔、三星和台积电入股自己 ， 希望大家共同承担这个人类的伟大工程 ， 因为研发投入需要每年10亿欧元 。2015年 ， 可量产的样机发布 。 虽然售价高达1.2亿美元一台 ， 但还是收到雪片一样的订单 。 排队等交货 ， 都要等好几年 。一台EUV光刻机重达180吨 ， 超过10万个零件 ， 需要40个集装箱运输 ， 安装调试都要超过一年时间 。


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