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對華禁售的阿斯麥高端光刻機，憑什么做到了 “一家獨大”?

2022/07/09
導讀
當年那個平房里不起眼的小公司，成了今天的絕對霸主
    7.9
知識分子The Intellectual

EUV光刻機，可能是迄今為止人類科技領(lǐng)域所能達到的最尖端的技術(shù)成果 | 圖源：asml.com


  編者按

在7月6日舉行的外交部例行記者會上，彭博社記者再次提到美國要求荷蘭公司阿斯麥（ASML）不要將最先進的光刻機出口給中國的問題。而在最近的2022 SPIE高級光刻會議上，阿斯麥介紹，其新款EUV光刻機正在研發(fā)當中，未來2納米的芯片當不在話下。臺積電今年6月中旬也宣布了其2納米制造技術(shù)，計劃在2025年投入生產(chǎn)。對于這些最先進的芯片制造技術(shù)，中國芯片制造公司無緣得到。本文通過回顧歷史，希望讀者能從中體會到光刻機的研發(fā)過程可說是 “冰凍三尺，非一日之寒”。


撰文｜陳啟責編｜邸利會


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芯片變成 “白菜價”

圖1 PE 100團隊 | 圖源：chiphistory.org


1967年，美國軍方聯(lián)系了老牌光學設(shè)備廠商 Perkin Elmer，希望能做出精度更高的新式光刻機。Perkin Elmer 是大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡的鏡片制造商。

1960年代可以認為是光刻機的上古時期。這些光刻機統(tǒng)稱為掩膜對準儀（Mask Aligner），沒有復雜的光學投影系統(tǒng)。

當時的光刻機有兩種，接觸式與漸進式。

接觸式光刻機把光掩膜板蓋在涂有光刻膠的硅片上，打開光源，“咔嚓” 一下，完成曝光。顯然，這個方法有個問題，光刻膠很容易污染掩膜板，且隨著曝光次數(shù)增加，掩膜非常容易損壞，因此失敗率很高，芯片良率奇低，成本昂貴。

而漸進式光刻機，光掩膜板不和硅片直接接觸，在光刻機里加入量測工具，讓兩者盡可能接近。但隨之而來的問題是，光有衍射效應(yīng)，投影時邊緣變模糊，造成精度下降，有較大的投影誤差。

因為良率太低，一片4英寸硅片壓根生產(chǎn)不了幾顆芯片，所以當年的芯片極其昂貴，連財大氣粗的美國軍方都用不起。要降低成本，需要技術(shù)的革新。

1974年，在經(jīng)過數(shù)年研發(fā)后，Perkins Elmer 推出了劃時代的光刻機：Micralign 100。光刻進入了投影式時代。

Micralign 100并不復雜，是一種反射式的投影系統(tǒng)，利用兩片同軸的球面反射鏡，把掩膜板上的圖形，經(jīng)過三次反射，投射在硅片上。這種對稱的球面鏡，可以消除產(chǎn)生的大部分像差，達到理想的分辨率。

Micralign的誕生大大提高了光刻工藝的良率，從接觸式光刻技術(shù)的約10%提高到了70%。良率大幅提高，芯片價格應(yīng)聲大跌，一年前摩托羅拉的處理器6800賣295美金，一年后MOS科技的處理器6502僅賣25美金的白菜價。便宜的芯片促使微型電腦如雨后春筍般出現(xiàn)。

盡管售價是漸進式光刻機的三倍，但實打?qū)嵉牧悸侍岣撸罱K能生產(chǎn)的芯片更多，讓所有采購Micralign 100的客戶賺得盆滿缽滿。英特爾、德儀等公司的訂單，雪花一樣飛來。

進入半導體設(shè)備領(lǐng)域短短不到三年時間，Perkins Elmer 成了當時最大的半導體設(shè)備公司。

然而好景不長，Perkins Elmer 的基于1:1純反射式的光刻機缺點越來越明顯，反射鏡無法完全消除球面像差，圖像分辨率也太低，無法進一步滿足縮小的工藝?；谕哥R組的步進式光刻機（stepper），開始嶄露頭角，光刻技術(shù)進入縮放投影時代。


2

GCA的高光時刻
1978年，GCA公司推出了首款步進式光刻機DSW 4800，并迅速占領(lǐng)了70%的市場。

步進式光刻機采用縮放投影的方式，把掩膜板的圖形，縮小到原來的1/4到1/5再投射到硅片表面，大大提高了曝光強度和分辨率上限，讓光刻精度進入微米級?？s放投影，不需要掩膜板和晶體管線寬一致，對掩膜板要求也降低，簡化了掩膜板的制作要求，降低了成本。

1970年代初，GCA把鏡頭供應(yīng)商換成尼康，但為了獲得所需的遠心式鏡頭，GCA又拋棄了尼康，轉(zhuǎn)頭和德國蔡司合作。原因是他們嫌日本的鏡頭精度不佳，光刻像差受焦距的影響太大。

除了物鏡系統(tǒng)，GCA還需要一樣新東西——自動化硅片工件臺（stage）。步進式光刻機的曝光區(qū)不再是整個硅片，而是其中的一小塊面積，所以光刻要化整為零，每曝光一次，硅片就必須移動到下一個區(qū)域再曝光一次，一步步推進，直到整個硅片完成全部曝光工作。

如此，工件臺的定位精度影響對準精度，運動的速度決定了光刻機每小時的硅片曝光量，無故障穩(wěn)定運行的時間決定了光刻機的整體效率，光刻機的精度和效率全靠工件臺的技術(shù)水平。

DSW 4800便是首臺搭載自動化硅片工件臺的步進式光刻機。

圖2 GCA的步進式光刻機DSW 4800 | 圖源：chiphistory.org


這臺光刻機使用436納米的G線光源和10:1的縮光掩膜板。盡管光刻速度不快，50萬美元的價格也遠遠高于Micralign 9.8萬美元的價格，但在穩(wěn)定性，分辨率，數(shù)值孔徑，及套刻精度方面具有壓倒性的優(yōu)勢，讓其一誕生就獲得了包括IBM、仙童、德儀等大廠客戶們的青睞。

盡管這一年 Perkins Elmer 也推出了Micralign  500型號，一小時能曝光100片硅片，把速度的優(yōu)勢發(fā)揮到了極致，但是行業(yè)正按照摩爾定律的 “劇本” 演化，晶體管的尺寸不斷微縮，光刻的精度越來越重要，Micralign已經(jīng)完全跟不上。

緊接著，日本雙雄尼康和佳能也開始發(fā)力。但 Perkins Elmer 對這一切熟視無睹，繼續(xù)沉迷在過去的成功中，既沒有認真聽取客戶意見，又沒有投入資源進行下一代光刻機的研發(fā)，故步自封。

丟失市場后，Perkins Elmer 終于醒悟，但為時已晚，之后孤注一擲研發(fā)更先進的EUV，結(jié)果功敗垂成。再之后，Perkins Elmer 的半導體光刻機事業(yè)部賣給了SVG（Silicon Valley Group），SVG 在2001年又被阿斯麥以16億美金收購，40年前的光刻老大委身于現(xiàn)在的老大。而阿斯麥最先進的EUV光刻機，又回到了反射鏡，科技就是這么 “螺旋式” 上升的。

盡管 Perkins Elmer 在后續(xù)競爭中失敗，但不可否認其貢獻。正因為Micralign 100光刻機大幅提高了芯片制造的良率，才讓芯片價格下降，更多的電子產(chǎn)品進入尋常百姓家。

第一次的光刻機大戰(zhàn)，GCA笑到了最后。期間，美國幾個廠家你追我趕，體現(xiàn)出在這一時期，美國在光刻領(lǐng)域強大的科技實力和創(chuàng)新力。


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日本逆襲

圖3 1980年2月，NSR-1010G問世 | 圖源：nikon.com


正當兩家美國廠商打的火熱的時候，1982年，在IBM和德儀的工廠里，出現(xiàn)了一臺來自日本的光刻機。不管是光學系統(tǒng)，還是硅片工件臺，看上去都和GCA的步進式光刻機相差無幾，這就是尼康當年推出的NSR-1010G。

這家做鏡頭配件的日本廠商，為什么能在短短幾年內(nèi)，打破GCA的技術(shù)壟斷，研發(fā)出自己的步進式光刻機？故事要從1976年說起。

1976年，日本的通信產(chǎn)業(yè)省，開啟了超大規(guī)模集成電路計劃，簡稱VLSI項目。這是一個舉日本全國之力推動電子產(chǎn)業(yè)升級的規(guī)劃，政府每年投入180億日元，組織了包括東芝、日立、富士通、三菱電機和日本電氣在內(nèi)最大的五家半導體廠家，形成技術(shù)聯(lián)盟，要求這些競爭對手放下隔閡，攜手合作，集中力量辦大事。

在四年規(guī)劃中，日本選擇了幾個重點突破的技術(shù)路線，光刻技術(shù)和設(shè)備就是其中之一。作為老牌光學廠商的尼康和佳能，雖然明面上沒有加入該項目，卻也在通產(chǎn)省組織的合作框架下，開始了各自的光刻機研發(fā)任務(wù)。

佳能此前主要做相機鏡頭，在精密測量部分尚有欠缺，因此仿制的是門檻較低的Micralign對準儀。

而尼康的前身是成立于1917年的日本光學株式會社，在鏡片制造和精密測量技術(shù)方面有相當深厚的技術(shù)功底，既能做高分辨率的相機鏡頭，又能做天文望遠鏡，甚至為戰(zhàn)列艦提供軍工級的光學測距儀。GCA用過一段時間的尼康鏡片，讓尼康得以了解半導體光學的最新技術(shù)。

盡管自身的技術(shù)積累不俗，但尼康要想實現(xiàn)從無到有，也并非易事。好在還有友軍的全力支持，日本電氣把買到的GCA光刻機，偷偷交給尼康拆解分析研究，結(jié)果拆了之后裝不回去。由于這臺光刻機極其寶貴，日本電氣只能厚著臉皮找GCA報修，結(jié)果被GCA工程師發(fā)現(xiàn)機器被人拆開過，場面一度十分尷尬。

尷尬歸尷尬，尼康還是從拆解GCA光刻機中學到了很多寶貴的知識，在1980年推出了自己的首臺步進式光刻機。

初代尼康光刻機有不少問題，但是日本電氣和東芝還是很支持，買下后雙方技術(shù)人員通力合作，及時反饋了很多實際工作過程中的問題，幫助尼康迅速更新和迭代技術(shù)，使得尼康光刻機水平迅速提高。

1982年，尼康成功地把機器賣到了美國IBM和德儀。美國人驚訝的發(fā)現(xiàn)，尼康的 “山寨” 光刻機居然有不輸GCA的性能，尤其是鏡頭穩(wěn)定性和自動化程度更在GCA之上，更重要的是日本的服務(wù)態(tài)度，絕非傲慢的美系廠商可以比。

正當尼康一路高歌猛進之時，GCA的產(chǎn)能問題卻遲遲沒有改善，原因是其鏡頭供應(yīng)商蔡司當時正處于低谷，鏡頭頻頻出現(xiàn)質(zhì)量問題，還延遲交貨。此消彼長之后，其他廠商逐漸失去了對GCA的耐心。

2年后的1984年，尼康的出貨量基本和GCA打平，甚至還先于GCA推出升級光源后的I線365納米光刻機NSR-1010i3型，廣受客戶好評。同年，另外一家日本光刻機廠商佳能，也推出了自己的首款步進式光刻機FPA-1500FA。

1985年，尼康正式超過GCA，成為業(yè)界第一大光刻機供應(yīng)商。這一年，GCA大虧1.45億美金，次年放棄低端機型，斷臂求生，把全部身價壓在高端機上，但其資金鏈斷裂，已經(jīng)無法支撐后續(xù)研發(fā)，蔡司的退出合作也給了GCA致命一擊。

1988年，走投無路的GCA年出售給 General Signal。過了幾年GCA找不到買主被關(guān)閉，當年美系光刻機龍頭就此消亡。

1980年代初還占據(jù)大半壁江山的美系三雄，到80年代末已經(jīng)搖搖欲墜，處在崩潰邊緣，而日本光刻機雙雄尼康和佳能則強勢崛起，替代美系廠商，占據(jù)了超過70%的市場份額。


4

為何美國失?。?/span>
為什么十年不到時間，風光一時的美系廠商會被日系廠商反超？我們也許可以總結(jié)些經(jīng)驗教訓。

首先，日本兩家公司在光學設(shè)備以及精密機械上擁有極其深厚的功底，這是研發(fā)光刻機的前置技能，也是日本能快速追上美國的前提。

二是日本集中力量辦大事，給予了極優(yōu)厚的政策和豐厚的資金。VLSI項目出錢，聘人，成立聯(lián)合實驗室，實現(xiàn)上下游廠商的的通力協(xié)作，共同進步。而美國芯片廠則不愿意和GCA分享信息，生怕泄露技術(shù)細節(jié)，這導致GCA一直蒙在鼓里，不知道客戶的真實情況已經(jīng)到什么地步。

三是日本廠商垂直整合度更高。尼康和佳能不管是鏡頭還是平臺，還是自動化技術(shù)，全都是自己家的技術(shù)，從源頭解決需求，研發(fā)溝通更迅速，技術(shù)迭代更精準，生產(chǎn)成本更低廉。而GCA完全依賴蔡司的鏡頭，一旦蔡司品控和溝通有問題，會造成災(zāi)難性后果。確實，蔡司有段時間陷入困境，問題一大堆。阿斯麥和蔡司的早期合作中也出現(xiàn)過問題，差點把阿斯麥也拖下水，幸虧阿斯麥對蔡司進行了徹底改造。

四是美國廠商的守舊與傲慢。Perkins Elmer故步自封，GCA目空一切，當客戶反饋尼康和佳能的設(shè)備性能更好的時候，管理層只是甩鍋給銷售團隊，而不是反思自己設(shè)備為什么不如競品。

五是日本廠商有著更好的經(jīng)營理念和服務(wù)支持。GCA在亞洲的服務(wù)團隊，都是外派的美國人，根本無法融入當?shù)乜蛻簟６峥祫t非常重視客戶需求，在1982年第一臺設(shè)備交付美國客戶的時候，就開始雇傭當?shù)毓こ處熃⒐韫确?wù)中心。

六是70年代末半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前期，各種光刻技術(shù)路線層出不窮，光刻機還處于草莽時代，日本可以用高效和低成本的打法反超美系競爭對手。

七是在當時的經(jīng)濟大背景下，美國處于石油危機所引發(fā)的經(jīng)濟衰退中。GDP下降，失業(yè)率上升，美聯(lián)儲不得不實行貨幣緊縮政策，而日本經(jīng)濟則處于景氣周期中，尤其是半導體產(chǎn)業(yè)。

1980年代的日系廠商，不僅在光刻機領(lǐng)域把美系廠商按在地上摩擦，在內(nèi)存等其他芯片市場也攻城略地，打得美國芯片公司節(jié)節(jié)敗退。那些年無論德儀，還是仙童，還是AMD都是泥菩薩過江自身難保，英特爾甚至因為退出內(nèi)存市場被迫裁員2000多人。

但好景不長。1985年，美國逼迫日本簽署《廣場協(xié)議》。緊接著，1986年9月《美日半導體協(xié)議》出臺，對日本芯片強制征收100%的懲罰性關(guān)稅，同時美國又扶持中國臺灣和韓國的公司。

盡管日系公司還能依靠之前的技術(shù)積累繼續(xù)保持市場份額，但兩個協(xié)議一出，自此日本芯片產(chǎn)業(yè)盛極而衰，在美國的政策大刀下被迫退守，在行業(yè)景氣周期還能吃肉，一旦出現(xiàn)經(jīng)濟下滑遇到行業(yè)冷周期，日系廠商就會死傷無數(shù)。

在臺灣臺積電代工以及韓國內(nèi)存的進攻下，日系企業(yè)在內(nèi)存以及先進數(shù)字芯片制造方面節(jié)節(jié)敗退。

2012年，日系內(nèi)存最后的獨苗爾必達公司被美光以25億美金的白菜價收購。2017年東芝存儲也因為東芝集團自身的財務(wù)問題，最終被美系資本收購控股后改名鎧俠，曾經(jīng)輝煌一時的日系存儲消失殆盡。

在光刻機上的技術(shù)優(yōu)勢，日本一直維持了近20年，直到當年那個不起眼的歐洲小公司，羽翼豐滿，接連發(fā)起 “浸沒式系統(tǒng)” “TWINSCAN系統(tǒng)” “EUV光源” 三大技術(shù)戰(zhàn)役，最終將日系廠商斬于馬下，登上王座。


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平房里誕生的巨頭

圖4 1984年，成立之初的阿斯麥 | 圖源：youtube.com


1980年代初，自身財務(wù)狀況不佳的飛利浦思來想去最后決定關(guān)停自己的光刻機項目，于是去美國找Perkins Elmer、GCA、Cobilt、IBM等公司談了一圈，但是沒人愿意合作。

1984年4月1日，飛利浦終于聯(lián)合芯片機器制造商 Advanced Semiconductor Materials International（ASMI）成立一家新公司阿斯麥，就在荷蘭埃因霍溫飛利浦辦公室附近的漏雨廠棚里。憑著1970年代開始研發(fā)的一些技術(shù)積累，阿斯麥同年發(fā)布了第一臺光刻機PAS 2000。

新公司建立之初，雖然頂著飛利浦Natlab的光環(huán)，可在當時，阿斯麥的光刻機無人問津。唯一買過幾臺的還是Elcoma，它是飛利浦半導體和材料事業(yè)部，算自己人照顧一下，但是因為使用油壓導致問題太多，大部分時候只能閑置在一旁。

1986 年，采用新的對齊技術(shù)的 PAS2500 步進機推向市場。同年，阿斯麥與鏡頭制造商 Carl Zeiss 建立了合作伙伴關(guān)系。

之后，阿斯麥挺進亞洲市場，1987年臺積電誕生，為臺灣工研院和飛利浦的合資公司。

但面對激烈的競爭，阿斯麥的客戶很少。更糟的是，股東ASMI無法維持高額投資，回報微乎其微，決定退出，老東家飛利浦也宣布了大規(guī)模的削減成本計劃。在命懸一線之際，阿斯麥高管聯(lián)系了飛利浦董事會成員Henk Bodt，后者說服他的同事伸出援助之手。

很快，阿斯麥推出了PAS 5500。憑借其行業(yè)領(lǐng)先的生產(chǎn)力和分辨率，PAS5500實現(xiàn)了盈利。1995 年，阿斯麥在阿姆斯特丹和紐約證券交易所上市，成為一家完全獨立的上市公司。

1995年2月，第一臺PAS 5500到達三星的工廠里，那時三星已經(jīng)是最大的內(nèi)存制造商。三星用PAS 5500開發(fā)了一項0.25微米工藝用于生產(chǎn)16Mb內(nèi)存顆粒。隨后幾年，韓國人完全信任荷蘭人的步進式光刻機。

PAS 5500非常優(yōu)秀，當時除了日本和美國市場外阿斯麥勢如破竹，但是由于客戶的慣性，英特爾、IBM們依然更多選擇了尼康的光刻機，阿斯麥當初雄心壯志是否還有機會實現(xiàn)？


6

挑戰(zhàn)尼康
時間來到1990年代末，隨著摩爾定律的繼續(xù)演進，工藝開始從130nm進入90nm，晶圓尺寸也從8英寸升級到12英寸。與此同時，光刻機的波長也從248nm進入到193nm，但沒想到的是，產(chǎn)業(yè)在193nm波長上，一卡卡了近20年。

直到2002年7月，在比利時布魯塞爾舉行的157nm微影技術(shù)研討會上，臺積電的林本堅做 “浸潤原理” 的專題演講，他說， “不得了，我找到了134nm波長的光波”。

圖5 發(fā)明浸沒式方案的林本堅博士 | 圖源：林本堅


所謂 “浸潤原理” 就是在晶圓光刻膠上方加一層水，水的介質(zhì)折射率是1.44，因此193nm/1.44≈134nm。因此在不改變光刻機波長情況下，使得193nm的波長能等效出134nm的波長！

尼康一直在光源上做文章，專注于如何縮小波長。此時的尼康宣布自己的 157nm產(chǎn)品及EPL產(chǎn)品樣機完成，但測試后實際情況不盡人意。

2004年12月，日本半導體展SEMICON Japan開幕，阿斯麥正式推出浸沒式光刻機的原型機，并證明浸沒式光刻機方案具備可行性。

2006年，阿斯麥的XT 1400i進入英特爾并順利通過40nm工藝的驗證，一年后英特爾下了大訂單，其余廠商紛紛效仿，購買阿斯麥更成熟的產(chǎn)品。在光刻領(lǐng)域2000年還是老大的尼康，到了2009年被阿斯麥反超，市場占有率只剩不到3成，而阿斯麥的市占率則近7成。

尼康的干式157nm敗給了阿斯麥的193nm加浸沒式的方案。你或許會問，尼康當年為什么不趕緊換個賽道，切到浸沒式光刻機的路線上？

原因是當時阿斯麥193nm最后一片鏡片是平的，可以無縫對接浸沒式系統(tǒng)，而尼康則是曲面鏡片，必須重新設(shè)計整個物鏡系統(tǒng)，這至少要花費2年的時間。

哪怕尼康當時也能拿出類似的浸沒式光刻機也未必能翻盤。新設(shè)備總是需要用幾年時間多家廠商通力磨合，別人比你早量產(chǎn)，就比你多了時間去改善問題和提高良率，這讓后者更加難以超越，一步落后，步步落后。

193nm浸入式光刻成功翻越了157nm大關(guān)，直接把工藝帶到40nm以下。加上后來不斷改進的高NA鏡頭、多重曝光技術(shù)、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術(shù)，193nm浸沒式光刻機一直做到今天的7nm，臺積電第一版N7工藝就是采用193nm浸沒式光刻機。

尼康兵敗157nm，失掉了第一次機會。

2020年，阿斯麥出貨了史上第一套干式NXT系統(tǒng)。這是第一套能夠每小時處理超過300片晶圓的光刻系統(tǒng)——而這得益于該系統(tǒng)上的最新的TWINSCAN平臺技術(shù)。

TWINSCAN，雙掃描工件臺，是阿斯麥保持競爭力的最大秘訣之一。

早在1990年代初，當PAS 5500出貨的時候，精密器械和干涉儀專家 Bert van der Pasch 教授，也正在進行干涉儀系統(tǒng)和晶圓傳送模組的研究，隨后他加入阿斯麥成為光刻掃描儀位置測量系統(tǒng)的專家。

Bert帶領(lǐng)團隊持續(xù)創(chuàng)新讓PAS 5500一直處于領(lǐng)先地位，提供了當時行業(yè)領(lǐng)先的生產(chǎn)力和分辨率。隨著新時代到來，阿斯麥意識到，需要一個革命性的創(chuàng)新，助力尤其是臺積電這樣對高產(chǎn)能有強烈需求的客戶，實現(xiàn)下一個階段的飛躍。

回顧起來，解決方案其實很簡單。圖案在曝光到晶圓前，必須對晶圓進行精準量測。量測和曝光都需要時間，為了減少每個過程需要的時間，為什么不在曝光一個晶圓的同時，對后一個晶圓開始進行量測和對準工作呢？就這樣，TWINSCAN系統(tǒng)誕生了。

TWINSCAN是第一個具有雙晶圓工作平臺的光刻系統(tǒng)。晶圓被交替地裝載到平臺上，當一個晶圓曝光時，另一個晶圓裝到二號平臺進行對準和測量，然后兩個平臺交換位置，原來在二號平臺的晶圓進行曝光，而一號平臺的晶圓完成卸載。然后，新的晶圓被裝載，進行對準和測量工作。

這種量測對準和曝光同時進行的并行方案極大提高光刻機單位小時內(nèi)的產(chǎn)能。2001年，首個采用這種革命性技術(shù)的光刻機出貨——TWINSCAN AT:750T型光刻機。

之后，TWINSCAN系統(tǒng)跨越阿斯麥各個平臺型號的光刻機，擴大了技術(shù)范圍，讓所有芯片層都能在新平臺上曝光。

阿斯麥依靠TWINCAN系統(tǒng)與浸沒式系統(tǒng)形成雙劍合璧，讓尼康徹底敗下陣來。時至今日，受制于專利和技術(shù)的尼康依然在苦苦追尋更好的能對標TWINSCAN的方案。他們曾選擇用外掛部件的方案，但效果不盡人意，依然邁不過這個門檻。


7

邁進EUV
光刻技術(shù)的下一步輪到了EUV。從上世紀80年代開始研發(fā)，時至今日EUV終于成熟。如果世界沒有EUV會怎么樣？也許就永遠卡在7nm工藝了。

EUV也就是極紫外光，在電磁波譜中，極紫外光是紫外區(qū)能量最高的部分，它的波長范圍為100納米到10納米，低于深紫外光，再往下就是 10nm的X射線了，屬于電離輻射區(qū)。

EUV光刻機，可能是迄今為止人類科技領(lǐng)域所能達到的最尖端的技術(shù)成果。

現(xiàn)在阿斯麥的NXE系列的EUV光刻機一臺要賣到一億多美金，高NA版本的EXE 5000系列已經(jīng)要賣3～4億美金一臺。

在EUV的研發(fā)歷史上，90年代EUV LLC聯(lián)盟的誕生十分重要。

1997 年，英特爾看到跨越193nm的巨大難度，決心集全人類精英一起愚公移山。他們說服了美國對高科技最開明的克林頓內(nèi)閣，以公司形式發(fā)起了EUV LLC 這樣的合作組織。

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，從理論上驗證 EUV 可能存在的技術(shù)問題。

英特爾還力邀阿斯麥和尼康加入EUV LLC，因為當時美國光刻設(shè)備公司基本已經(jīng)凋零。但此舉受到美國政府的阻撓，因為他們舍不得讓外國公司分享美國最前沿技術(shù)，認為不能有 “外人”。

此時阿斯麥展示出了驚人的技術(shù)前瞻性，一定要擠進EUV LLC，雖然這個組織的目標是為了論證EUV技術(shù)的可行性，而不是量產(chǎn)。阿斯麥強力游說，開出了很難拒絕的條件——由阿斯麥出資在美國建工廠和研發(fā)中心，并保證55%的原材料都從美國采購。

最終結(jié)果是尼康被排除在外，更為開放的阿斯麥做了一堆對美國貢獻的許諾后被允許加入。另外一家例外的非美國公司是當時還是內(nèi)存霸主的英飛凌，它被允許和美光一起加入EUV LLC。

從1997年到2003年，6 年間EUV LLC的科學家發(fā)表了幾百篇論文，驗證了 EUV光刻機的可行性。理論驗證完成后，EUV LLC聯(lián)盟宣布解散。接下來實際問題都拋給了行業(yè)。

為了研發(fā)EUV系統(tǒng)，阿斯麥前前后后在將近20年時間內(nèi)投入上百億美金的研發(fā)費用。其實，阿斯麥完全可以繼續(xù)躺在DUV光刻機上賺錢，但荷蘭人依然保持初衷，拒絕躺平，選擇再次向技術(shù)巔峰發(fā)起沖擊。

EUV光有個最大的問題是無法穿過任何物體，包括空氣。所以機器內(nèi)部得抽成高真空狀態(tài)，為此當年阿斯麥和蔡司花了巨資共同建立了一座全球最大的真空腔體實驗室，來模擬真空環(huán)境下遇到的各種問題。

此外，對EUV光刻機而言，如何產(chǎn)生光源以及控制光路前進的鏡頭部分也是兩大挑戰(zhàn)。

13.5nm的EUV光無法穿過透鏡，因此物鏡系統(tǒng)變成了反射鏡片。而現(xiàn)實世界中沒有任何材料可以在單層中反射大部分EUV 光，因此蔡司設(shè)計了一種由鉬（部分反射EUV光）和硅（對EUV大部分透明）交替組成納米層的反射鏡，用來反射并控制EUV光路。

這些反射鏡片的制造工藝相當復雜，不同材料用鍍膜工藝一層層疊起來，多達數(shù)十層。其表面需要幾乎完美光滑和干凈，每個納米層都需要具有精確定義的厚度，其表面誤差在0.01nm以內(nèi)，相當于北京到上海做根鐵軌，起伏不超過 1 毫米。

2006年，阿斯麥實驗室里出現(xiàn)了EUV的原型機，四年后的2010年，在阿斯麥手中誕生的人類第一臺EUV工程樣機：NXE 3100。

圖6 EUV光刻 | 圖源：asml.com


第一臺試驗型EUV光刻機設(shè)計了13片反射鏡，隨后減少了到9片，由于每次反射有損耗，9次反射后剩余能量只有可憐的1.007%。9片反射鏡已經(jīng)是極限，沒法再少了，再少分辨率就不行了。

所以第一臺驗證機NXE 3100只能做到每小時曝光30片，這當然是無法滿足客戶要求。想要增加產(chǎn)能，就必須增大光源功率。

當時阿斯麥的光源供應(yīng)商是美國公司Cymer。在研發(fā)EUV光源的時候Cymer壓根就覺得，這是一項不可能完成的任務(wù)，比較敷衍，最開始光源只有30W功率，一小時根本曝光不了幾片晶圓，弄了幾年還是原地踏步。

看不下去Cymer磨洋工后，2012年阿斯麥以26億美金收購了Cymer，讓Cymer成為阿斯麥的子公司?；藷o數(shù)心血后，最終把光源功率從30W硬是弄到250W，就這樣產(chǎn)能提高到了每小時125片，勉強能達到商用標準。

EUV光源產(chǎn)生方式不同于此前的準分子激光器。為了產(chǎn)生波長13.5nm超短波長的光，科學家們想了一個辦法：用波長為9.2-10.8微米的二氧化碳激光器去連續(xù)轟擊從空中掉落的金屬錫液滴，這個錫滴直徑只有不到13微米，錫滴受激汽化后就能產(chǎn)生所需的13.5nm的光。

第一次脈沖轟擊把錫滴壓平變成餅狀，受光面積變大；第二次轟擊餅狀的錫滴將其汽化，兩次高能激光脈沖可將該錫滴瞬間加熱至50000K，從而使錫原子加至高能態(tài)，并回歸至基態(tài)釋放出13.5nm的紫外光子。

為了保證光的持續(xù)性和強度，這個錫滴從噴射被噴出的頻率是每秒5萬滴，因為是分兩次轟擊，因此等于一秒內(nèi)精確打中錫滴十萬次，分毫不差。

在解決一系列難題后，EUV光刻機終于被小心翼翼地搬入各大晶圓工廠，開始為芯片制造工序中最核心的光刻工藝工作，于是有了現(xiàn)在的7nm、5nm芯片。甚至未來的3nm，2nm，1nm，也將由EUV光刻機來生產(chǎn)。

阿斯麥在EUV上的成功，也徹底斷了尼康的一切念想。在光刻機市場，阿斯麥占到90%以上，尼康在角落里茍延殘喘，佳能早就不玩高端光刻機了，只在更低端的領(lǐng)域混口飯吃。

不過，尼康雖然在光刻機市場競爭中目前敗于阿斯麥，但仍然是光刻機界的主要玩家,且尼康的其它產(chǎn)品非常多，也很成功。

這20多年時間內(nèi)，依靠 “TWINSCAN系統(tǒng)” “浸沒式系統(tǒng)” “EUV系統(tǒng)” 三大戰(zhàn)役，阿斯麥徹底把昔日的巨頭尼康踩在了腳下。當年那個平房里不起眼的小公司，成了今天的絕對霸主。


（本文得到中國科學院微電子研究所研究員韋亞一審閱，特此致謝。）


制版編輯 | 姜絲鴨


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