光刻機“祖墳“挖它個底朝天， 之中國第一臺光刻機

20世紀50年代 當時美國海軍的一艘航母 約有35萬個電子設備 而把這些電子元件運用上 就需要上千萬個焊接點 這樣的工程量使得電子設備的 生產效率嚴重低下 電路的成品率也完全依賴 操作人員的熟練度 所以當時電子產業界開始呼籲 微型化集成電路 就是芯片 而製作芯片的工藝正在貝爾實驗室中醞釀 1947年12月23日 在貝爾實驗室 威廉肖克利、約翰巴頓沃特布拉頓 成功製造出第一個晶體管 並獲得諾貝爾物理學獎 在這個發明出現之前 世界上的第一臺電子計算機需要 佔地150平方米 重達30噸 耗電量高達150千瓦 10年後 1957年 美國國防部的兩位工程師傑伊萊斯羅普和 詹姆斯奈爾在貝爾實驗室研究成果的 基礎上 進一步推進了光刻技術 獲得了光刻技術的專利 短短一年後 這兩位工程師更是利用這項光刻技術 在單個晶圓上製造出了晶體管 並創造了光刻一詞 說到光刻 1822年 離當時一百多年前 法國人尼佩斯在發明照相機時 發現了一種能夠刻在油紙上印痕的技術 當其出現在了玻璃片上後 經過一段時間的暴曬 透光的部分就會變得很硬 不透光的部分可以用松香 和植物油將其洗掉 雖然當時他是爲了發明照相機 可誰也沒想到 100多年後的二戰時期 該技術應用於印刷電路板 在塑料板上通過同線路製作 與照相機原理一樣 都是通過光在一塊板上雕刻 只是板和上面的材質不同 由於光刻和晶體管的出現 當時在貝爾實驗室 主要研究晶體管的威廉肖克利 在他朋友貝克曼的資助下 在加州創立了肖克利半導體實驗室 由於肖克利當時在晶體管界赫赫有名 很快吸引了一批聰明絕頂的人 可是由於他的傲慢 最後在硅谷出了名的"八叛徒" 就是從他培養由來的 八叛徒和羅斯肖克利攤牌後 很快就在洛克科伊爾和羅斯柴爾德家族 那裏獲得了一筆138萬美元的風險投資 成立了"仙童"半導體公司 不到半年 公司就開始盈利了 在那個狂熱的年代 誰都抵擋不住一個快速發展行業裏 創業機會的誘惑 當時羅斯柴爾德家族的那筆 風險投資有個協議 就是作爲回報條件 羅斯柴爾德擁有對仙瞳的決策權 並有權在8年內以300萬美金 收購所有股份 這爲後面八叛徒陸續叛逃 又埋下了伏筆 先是其總經理帶領八名員工創辦了 半導體公司 Rheem 再到八叛徒的拉斯特,霍爾尼和羅伯茨 三人創辦了 Amelco 克萊納出去搞起了風險投資公司 KPCB 最後巴叛徒之首的 諾伊斯和摩爾也帶着安迪格魯夫 離開了仙童 創辦了現在的英特爾 雖然仙童沒有成爲像 IBM、GE、AT&T 這樣的巨無霸 但是他的人才灑遍了整個半導體行業 1969年 硅谷的一次半導體峯會上 400名參會者只有24名 不是仙童的前僱員 大家齊聚一堂 其樂融融 無一不感謝老東家仙童 爲硅谷帶來一片繁榮 憑藉當時半導體各領域的突破 1971年11月15日 世界上第一款 intel4004 芯片誕生 電腦開始進入千家萬戶 自此 半導體和光刻技術的雛形誕生 伴隨着技術演進 光刻機開始引領着在一塊硅片上的晶體管數 從幾百萬、幾億、幾 十億、幾百億 發展到如今的千億級 1965年 英特爾創始人、時任仙童半導體實驗室主任的 戈登 摩爾通過觀察發現 每代芯片幾乎都是在價格不變的基礎上 每年翻一番 以此提出了推動半導體技術持續 升級的摩爾定律 1975年 他又改爲每隔18~24個月 集成電路上能容納晶體管數量會增加一倍 20世紀80年代 距離摩爾定律不到10年 增加芯片晶體管數目還不是讓 全球半導體學者困難的問題 對光刻機光源波長的要求較低 當時的光刻機採用乾式微影技術 簡言之 光源發光 光線在塗有光刻膠的 硅基底上畫就完了 在這種背景下 荷蘭電子產品公司飛利浦在實驗室 鼓搗出了步進式掃描光刻技術的雛形 但拿不準這項技術的商業價值 思前想後 他決定拉人入夥 讓合作者繼續研發 這樣既有人分攤成本 也給了自己觀望的機會 步進式掃描光刻技術的原理是 光線透過掩模板上的狹縫照射 晶圓與掩模板相對移動 完成當前掃描後 晶圓由工作臺承載 步進至下一步掃描位置進行重複曝光 整個過程經過重複步進 多次掃描曝光 在飛利浦的設想裏 理想的合夥人當然是技術先進 技術先進、實力雄厚的美國大廠 如 IBM、GCA之流 但在美國走了一圈後 飛利浦意識到了現實的骨感 各大廠商紛紛表示拒絕 但是並非所有人都不看好 飛利浦的光刻項目 就在飛利浦碰壁之際 荷蘭小公司ASMI的老闆 阿瑟·德爾·普拉多跑來 自己要接下飛利浦的光刻項目 ASM International創立於1964年 是一家半導體設備代理商 對製造光刻機並無經驗 因此 菲利普猶豫了一年的時間 最終 1984年 飛利浦同意與ASMI公司各自出資 210萬美元合資成立阿斯麥 但拒絕提供更多資金和辦公場地 成立之初的阿斯麥只有31名員工 由於沒有辦公室 這31名員工就窩在飛利浦 大廈外的簡易木板房裏辦公 由這纔開啓了阿斯麥的故事 垃圾車後面就是阿斯麥 成立之初的簡易木板屋 其後的大廈是飛利浦大廈 如前所說 20世紀80年代還是光刻機 的技術紅利期 在乾式微影技術的技術路線下 阿斯麥成立的第一年 就造出了步進式掃描光刻機 PAS 2000 但是技術的紅利期很快就會過去 進入21世紀 爲了延續摩爾定律 人們改進了晶體管架構方式 但光刻機光源波長 卻卡在了193納米上 這造成的後果是 光刻畫出的線條不夠細緻 阻礙晶體管架構的實現 要解決這個問題 最直接的方式就是把光源波長縮短 比如尼康 SVG等廠商 試圖採用157納米波長的光線 實踐中 實現157納米波長的光刻機並不容易 首先 157納米波長的光線極易 被193納米光刻機使用的鏡片吸收 其次 光刻膠也要重新研發 另外 相比於193納米波長 157納米波長進步不到25% 回報率較低 但在當時 這似乎是唯一的辦法 這時 一個重要的人物出現了 2002年 時任臺積電研發副經理林本堅提出 爲什麼非要改變波長 在鏡頭和光刻膠之間加一層 光線折射率更好的介質不就行了 那麼 什麼介質能增加光的折射率呢 林本堅說 水就可以與乾式光刻技術相對 林本堅的技術方案被稱爲 浸沒式光刻技術 經過水的折射 光線波長可以由193納米 變爲132納米 時間在往倒回15年 1987年 林本堅就職於IBM 那時他就有了浸沒式光刻技術的想法 2002年 芯片製成卡在65納米之際 林本堅看到了浸沒式光刻技術的機會 爲了解決技術難題 消除廠商疑慮 林本堅花費半年時間 帶領團隊發表三篇論文 當時 業界質疑 水作爲一種清潔劑 會把鏡頭上的髒東西洗出來 還有人擔憂水中的氣泡 光線、明暗等因素會影響折射效果 根據林本堅團隊的研究 他們提出了一種曝光機 可以保持水的潔淨度和溫度 使水不起氣泡 雖然這種曝光機並未在實際中被採用 但林本堅的研究證明了 技術上的難題是可以被解決的 他還親自奔赴美國、日本 、德國、荷蘭等地 向光刻機廠商介紹浸沒式光刻的想法 但是有能力進行研發的大廠普遍不買賬 各種原因也不難理解 自20世紀60年代起 玩家入局光刻機市場 在乾式光刻技術上 投入了大量財力、人力、物力 好不容易踏出一條可行的技術路線 如果按照林本堅加水的想法 各位前輩就得一夜回到解放前 從技術到設備重新探索 很少有人捨得這麼高的成本 但是很少有人不代表沒有人 奔波到荷蘭後 林本堅終於聽到了一個好消息 阿斯麥願做這第一個吃螃蟹的勇士 2003年10月份 ASML和臺積電研發出 首臺浸沒式光刻設備 TWINSCAN XT：1150i 2004年阿斯麥的浸沒式 光刻機改進成熟 同年尼康宣佈了157納米的乾式光刻機 和電子束投射產品樣機 但是一面是改進成熟的132納米 波長新技術 一面是157納米波長的樣機 勝負不言而喻 數據顯示 在2000年之前的十六年裏 ASML佔據的市場份額 不足10% 2000年後 阿斯麥市場份額不斷攀升 到二零零七年 阿斯麥市場份額已經超過尼康 達到約60% 當命運之神把浸沒式光刻微影的機遇 擺放到阿斯麥、尼康等玩家面前 只有阿斯麥勇敢的伸出手 在全球光刻機市場這一回合的較量中 阿斯麥選擇了正確的技術路線 從而贏得了後來居上的機會 如果說推出浸沒式光刻機 讓阿斯麥領先尼康一步 那麼突破EUV光刻技術 則讓它成爲了名副其實的光刻機 一哥 2001年至今 EUV光刻市場中 只有阿斯麥一位玩家突破10納米節點 能夠帶來的經濟效益不必贅述 在衆多玩家中 爲什麼只有阿斯麥掌握了EUV 光刻機的核心技術 實際上 這與他集合了美國、歐洲的 頂級科研力量有關 這段故事還要從1997年講起 1997年 英特爾認識到跨越193納米 波長的困難 渴望通過EUV來另闢蹊徑 爲了能從其他玩家處借力 英特爾說服了美國政府 二者一起組建了一個名爲EUV LLC 極紫外線有限責任公司的組織 這個組織裏可謂是羣英薈萃 商業力量有摩托羅拉、AMD、英特爾等 還彙集了美國三大國家實驗室 這裏 美國成員構成了主體 在對外國成員的選擇上 英特爾和白宮產生了分歧 英特爾看中阿斯麥和尼康 在光刻機領域的經驗 想拉他們入夥 但白宮認爲 如此重要的先進技術研發不該邀"外人"入局 此時 阿斯麥顯示出了驚人的前瞻能力 他向美國表示 我願意出資在美國建工廠和研發中心 並保證55%的 原材料都從美國採購 只求你們研究EUV 一定要帶我玩 如此誠意讓美國難以拒絕 就這樣 阿斯麥成爲EUV LLC裏 唯二的兩家非美國公司之一 另一家是德國公司英飛凌 反觀尼康 這一次則完全是吃了國籍的虧 1998年發表的一個文件 《合作研發協議和半導體技術》 寫明瞭尼康被排除在 EUV LLC 的終極原因 有人擔心尼康會成功將技術轉移到日本 從而消滅美國的光刻工業 反觀1997年到2003年 阿斯麥和世界頂級的半導體領域玩家 聚集在EUV LLC 用了六年時間回答一個問題 EUV 技術有可能實現 至此 EUV LLC使命完成 在2003年就地解散 其中各個成員踏上獨自研發之路 其實其他歐洲、日本、韓國的玩家 也曾探索過EUV 光刻技術 但是他們的實力始終無法與彙集了 美國頂級科研實力的EUV LLC相比 這意味着阿斯麥在EUV 研發之路上佔得先機 國際光電工程學會SPIE官網 寫出了EUV LLC的重要性 如果不是EUV LLC 對技術的形成和追求 EUV 光刻技術就不會成爲 IC製造領域的未來競爭者 到了2005年 EUV 光刻機還是連個影子都沒有 鉅額的研發資金 難以跨越的技術瓶頸 已經足以讓大多數玩家望而卻步 但是阿斯麥還是不死心 並且決定要牽頭歐洲的EUCV研發項目 如果說在EUV LLC中 阿斯麥是蜷縮在角落裏 等待被其他大玩家帶飛 那這一次阿斯麥則是要自己做領頭羊 研發過程面臨的困難無非 集中在資金和技術兩方面 阿斯麥把他們逐個擊破 缺錢那就去找 阿斯麥從歐盟第六框架研發計劃中 拉來2325萬歐元經費 缺技術阿斯麥集合三所大學 10個研究所、15個公司聯合 開展了“More Moore”項目 着力攻堅 終於 2010年 阿斯麥出貨了首臺EUV光刻機 這臺光刻機型號爲NXE：3100 被交付給臺積電 用於進行研發 至此在EUV市場 阿斯麥已經做到了人無我有 接下來的問題就是產品的迭代和進化 2013年 阿斯麥收購了光源提供商賽默爾 爲公司量產EUV設備打基礎 經過幾次升級 阿斯麥在2016年推出首臺 可量產的EUV光刻機NXE：3400B 並獲得訂單 售價約爲1.2億美元 2017年第二季季度開始出貨 直到今天產品的迭代還在繼續 根據阿斯麥的信息 EXE：5000系列光刻機樣機 最快在2021年問世 從1997年到2010年 13年的艱難求索 終於讓阿斯麥攻克了EUV的技術高地 辛勤付出終有回報 目前阿斯麥仍是唯一掌握EUV 光刻技術的廠商 事實上 阿斯麥也經歷過財政危機 1988年 阿斯麥進軍臺灣市場 還未來得及在新的市場競爭中喘口氣 老東家阿斯曼就因無法獲得預期內的回報比 做出撤資決定 同時 由於當時全球電子行業市場不樂觀 菲利普也宣佈了一項成本削減計劃 內外夾擊之下 阿斯麥幾近破產 好在危機時刻 時任阿斯麥CEO 賈爾特·斯密特 聯繫了菲利普董事會成員 亨克·博特 說服了菲利普董事會 爲阿斯麥拉來一筆約一億美元的救命錢 這筆資金幫助阿斯麥 在進軍臺灣市場的初期站穩了腳 隨後幾年 阿斯麥憑藉步進式掃描光刻機扭虧爲盈 並於1995年3月15日在阿姆斯特丹 和紐約證券交易所成功上市 上市首日市值爲約1.25億美元 爲了能夠獲得充足的資金支持 2012年 阿斯麥提出一項客戶聯合投資計劃 CCIP 簡單來說就是 接受客戶的注資 客戶成爲股東的同時擁有優先訂貨權 這無疑是一個雙贏的舉措 把阿斯麥的研發資金壓力轉移出去 讓客戶爲先進光刻技術的研發買單 這樣不僅使阿斯麥無後顧之憂的進行研發 也保證了客戶對先進光刻 技術的優先使用權 CCIP計劃一經推出 這三家公司紛紛響應 根據協議 英特爾斥資41億美元收購 荷蘭芯片設備製造商阿斯麥公司的15%股權 另出資10億美元 支持阿斯麥加快開發成本高昂的芯片製造科技 臺積電投資3.8億歐元 獲取阿斯麥公司約5%股權 三星斥資5.03億歐元 購得3%股權 並額外注資2.75億歐元合作研發新技術 最終 阿斯麥以23%的股權 共籌得53億歐元資金 要知道 2012年全年阿斯麥的淨銷售額 才約爲47.3億歐元 在科技圈 研發創新能力就是生命力 華爲5G芯片技術爲什麼強 任正非曾在接受採訪時表示 2020年 華爲將把約200億美元約合人民幣1420億元 花在研發上 而在研發方面 阿斯麥與華爲一樣瘋狂 早在2002年 阿斯麥就趕向浸沒式光刻技術押注 到了今天 大力投資搞技術研發 已經成爲阿斯麥的傳統 根據2019年度財報 阿斯麥全年投入了20億歐元 用於技術研發 佔到淨銷售額118.2億歐元的16.9% 相比之下 2019年尼康在光刻系統上的 投資爲3.98億日元 佔到光刻系統營收的約0.17% 2007年開始 時年13歲的阿斯麥開始以領先的姿態 傲然於光刻機市場 至今仍然如此 對比我國 1977年 我國第一臺光刻機誕生 GK-3型半自動光刻機 加工晶片直徑爲75毫米 1978年，在GK-3的基礎上開發了GK-4 自動化程度有所提高 但仍然是接觸式光刻機 1980年左右 中科院半導體所開始研製 JK-1型 半自動接近式光刻機 於1981年研製成功兩臺樣機 完成第二階段工藝試驗 並進行模擬4K和16K動態隨機貯器 器件的工藝考覈試驗 同年 上海光學機械廠的研製的 JKG—3型光刻機 通過鑑定與設計定型 該機型是我國第一代半自動機器式光刻機 而美國早在50年代 就已經擁有的接觸式光刻機 相比之下 中國落後了近20年 同時 國外從一1987年開始轉向分佈重複投影光刻 此時 中國科學界也已認識到 分佈投影光刻技術的優越性 但限於國內工藝基礎差 難以實現 但是 根據八五，九五期間 我國微電子技術發展的要求 迫切需要相當數量的分佈光刻機 而當時國際上一臺i線分佈光刻機的售價 是160萬美元 一臺準分子激光DSW光刻機的售價 是210萬美元 一套g線DSW光刻機也要120萬美元 如果全部採用進口設備 當時的國家財力也難以支持 在此背景下 1978年世界上第一臺DSW光刻機問世不久 機電部第四十五所就開始跟蹤研究 分佈式光刻機對標美國的4800DSW 1985年， 研製出了BG-101分步光刻機樣機 並通過電子部技術鑑定 認爲達到4800DSW的水平 如果資料沒有錯誤 這應當是中國第一臺分佈投影式光刻機 採用的是436納米G線光源 同樣在1985年 中國科學院上海光學精密機械研究所 研製的掃描式投影光刻機 通過鑑定爲我國大規模集成電路專用設備 填補了一項空白 按照這個時間節點算 中國在分佈光刻機上與國外的 差距拉近到7年左右 美國是1978年 可以看出 國產光刻機研發在上世紀70年代 後期起步 直到80年代後期 技術一直在推進 並且取得了一定的代表性成果 20世紀50至80年代初期 中國半導體產業蓬勃發展 幾乎與世界同時起步 這也是國產光刻機研發的關鍵產業背景 但是進入80年代中期後 中國卻掉隊了 在整個行業積極探索新技術的時候 由於價格高昂和“巴統限制” 巴統不批准 向我國出口先進設備 國外工藝線已用0.5µm的設備時 卻只對我國出口1.5µm的設備 整整差了三代 也是在這個時期 國內“造不如買”的思想"貿工技"開始盛行 在集成電路等產業也漸漸與國外脫節 產業拋棄了獨立自主、 自力更生的指導方針 盲目對外開放 中國獨立的科研和產業體系被摧毀 研發方面是單打獨鬥 科研成果轉化成商業化產品的微乎其微 到1990年3月 中科院光電所研製的IOE1010G 僅相當於國外80年代中期水平 至2016年 上海微電子已經量產 90納米、110納米和280納米三種光刻機 但是這個時期走在世界前沿的ASML 已經開始EUV光刻機研發 國產光刻機至此落後ASML超過20年 我們曾在一窮二白的條件下造出原子彈 但在GDP總量近100萬億人民幣的今天 中國還是難以獨立造"芯" 在種種困難中 光刻技術直接卡住了芯片製造的脖子 要解決這一問題 技術攻關當然是必不可少的 另外 借力國外成熟產品 或可幫助芯片製造商實現突破 2018年 我國芯片公司中芯國際花費約1.2億美元 向阿斯麥訂購了一臺EUV光刻機 由於種種原因 目前這臺光刻機還未成功交付 我們期待它能夠儘快落地中國 助力我國的芯片事業再上一個臺階 中國有市場有人才 也不缺恆心與毅力 相信我國光刻機事業會有光明的未來