光刻机之战

商业

05-14 14:17

本文来自微信公众号「金捷幡」(ID:jin-jiefan),作者为金捷幡,爱范儿经授权发布。

航空发动机一直被誉为人类顶尖工业皇冠上的明珠。但最近十年,不断挑战物理学极限的半导体光刻机,大有挑战明珠之王的趋势。

航发是在极端高温高压下挑战材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战激光波长和量子隧穿的极限。

更难得的是,和低可靠性的航天高科技不同,航发和光刻的可靠性也是人类骄傲之花:前者保证了每天十万架飞机在天空安全翱翔,后者在全球工厂每秒钟刻出上千亿个晶体管分毫不差。

▲ 震撼一下,看看芯片内部 Credit: ASML(注:1nm=0.000000001 米)

引子

2000 年,成立 15 年当时排名世界第二的荷兰 ASML(阿斯麦) 公司已经成功占领韩国和台湾市场,但还在琢磨怎么卖光刻机给那时芯片的绝对霸主英特尔 (Intel)。

缺乏新一代 157nm 激光需要配置的反折射镜头技术也是让 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 光刻联盟里,ASML 还只是个小配角。

这时下一代光刻技术发展会怎样,整个半导体届没有人知道。

在转折关头,ASML 决定另辟蹊径,报价 16 亿美元收购市值只有 10 亿的硅谷集团 (SVG)。曾经辉煌的 SVG 当时在光刻机的市场份额只有不到 8%,年营业额只有 2.7 亿美元,而且 193nm 产品水平还远不如 ASML。所以华尔街认为 ASML 买贵了,ASML 股价当天暴跌 7.5%。

然而从后来的结果看,ASML 等于花钱买了光刻机行业最值钱的门票:英特尔的 vendor code,同时摇晃了尼康 (Nikon) 的支柱。此外,SVG 拥有最成熟的 157nm 光学技术,等于 ASML 买了一个技术双保险,这点后面会再详述。

不过,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,美国国防部审查说 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最终在收购协议上加了一堆条件,其中包括不许收购 SVG 负责打磨镜片的子公司 Tinsley,以及保证各种技术和人才留在美国。

这些条件反而让 ASML 顺理成章地成为了半个美国公司,享受到美国强劲的基础科学带来的巨大好处,为多年后在 EUV 一支独秀做了有力的铺垫。

早期,60-70 年代

光刻机的原理其实像幻灯机一样简单,就是把光通过带电路图的掩膜 (Mask,后来也叫光罩) 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,而那时晶圆也只有 1 英寸大小。

因此,光刻那时并不是高科技,半导体公司通常自己设计工装和工具,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关设备。

60 年代末,日本的尼康和佳能开始进入这个领域,毕竟当时的光刻不比照相机复杂。

70 年代初,光刻机技术更多集中在如何保证十个甚至更多个掩膜版精准地套刻在一起。Kasper 仪器公司首先推出了接触式对齐机台并领先了几年,Cobilt 公司做出了自动生产线,但接触式机台后来被接近式机台所淘汰,因为掩膜和光刻胶多次碰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系统,搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高,因此迅速占领了市场。

1978 年,GCA 推出真正现代意义的自动化步进式光刻机 (Stepper),分辨率比投影式高 5 倍达到 1 微米。这个怪怪的名字来自于照相术语 Step and Repeat,这台机器通俗点说把透过掩膜的大约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 生产效率相对不高,Perkin Elmer 在后面很长一段时间仍处于主导地位。

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。因为半导体厂商就那么多,一台机器又能用好多年。这导致你的机器落后一点,就没人愿意买了。技术领先是夺取市场的关键,赢家通吃。

80 年代一开始,GCA 的 Stepper 还稍微领先,但很快尼康发售了自己首台商用 Stepper NSR-1010G,拥有更先进的光学系统极大提高了产能。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 年超过 3 成快速跌到 84 年不到 5%。

看过我写的《内存的故事》的朋友都知道,80 年代是日本半导体最风光的时候,本土几乎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盾,并开始反攻美国市场。

由于 GCA 的镜片组来自蔡司,不像尼康自己拥有镜头技术,合作的问题使得 GCA 产品更新方面一直落后了半拍。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 平起平坐,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%。

为什么我们要特地看 1984 年呢?

首先我们致敬一下苹果,震撼世界的广告《1984》发布了第一代 Mac(我现在打字电脑的老祖宗)。然后,请出我们故事的主角:ASML。

ASML 被广为传播成是飞利浦分离的出来的,虽然不能说不对,但是和大家想象的那样子还是不同的。

飞利浦在实验室里研发出 stepper 的原型,但是不够成熟。因为光刻市场太小,飞利浦也不能确认它是否有商业价值,去美国和 P&E、GCA、Cobilt、IBM 等谈了一圈没人愿意合作。

有家荷兰小公司叫 ASM International 的老板 Arthur Del Prado 听说了有这么回事,主动要求合作。但这家代理出身的公司只有半导体前后道的经验,对光刻其实不太懂,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,最后勉强同意了设立 50:50 的合资公司。1984 年 4 月 1 日 ASML 成立的时候,只有 31 名员工,在飞利浦大厦外面的木板简易房里工作。

光刻机之战

▲ ASML 最早成立时的简易平房,后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。

明年,我们就能买到 EUV 加工出来的芯片做的手机了。

光刻机之战

▲ EUV 光刻机   Credit: ASML

后记

相信在未来,人类一定可以突破光学光刻机的极限,无论用电子离子还是最终放弃硅基。但是,就在刚写完文章的现在,我只想衷心为这些伟大的公司喝彩。

需要强调的是,在半导体制造中,光刻只是其中的一个环节,另外还有无数先进科技用于前后道工艺。

正是因为他们不屈不挠的努力,才使得我们在这个一切由芯片驱动的伟大时代,享受着各种手机、电脑、家电、汽车飞机和互联网带给我们的精彩生活。

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