要知道為什么最好的光刻機(jī)來(lái)自荷蘭,而不是美國(guó),得從半導(dǎo)體發(fā)展的三個(gè)歷史階段說(shuō)起。

前言

在20世紀(jì)70年代初,荷蘭飛利浦研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的工程師們制造了一臺(tái)機(jī)器:一臺(tái)試圖像印鈔票一樣合法賺錢(qián)的機(jī)器。但他們當(dāng)時(shí)并沒(méi)有意識(shí)到自己創(chuàng)造了一個(gè)“怪物”,這臺(tái)機(jī)器在未來(lái)的20年里除了吞噬金錢(qián)沒(méi)有做任何事情。

第一階段:上世紀(jì)60-70年代 早期光刻機(jī)

在光刻機(jī)的早期階段,美國(guó)是走在世界前面的,那時(shí)候還沒(méi)有ASML。

光刻機(jī)的原理其實(shí)像幻燈機(jī)一樣簡(jiǎn)單,就是把光通過(guò)帶電路圖的掩膜(Mask,后來(lái)也叫光罩)投影到涂有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻,掩膜版是1:1尺寸緊貼在晶圓片上,而那時(shí)晶圓也只有1英寸大小。

因此,光刻那時(shí)并不是高科技,半導(dǎo)體公司通常自己設(shè)計(jì)工裝和工具,比如英特爾開(kāi)始是買(mǎi)16毫米攝像機(jī)鏡頭拆了用。只有GCA、K&S和Kasper等很少幾家公司有做過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)設(shè)備。

60年代末,日本的尼康和佳能開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域,畢竟當(dāng)時(shí)的光刻不比照相機(jī)復(fù)雜。

70年代初,光刻機(jī)技術(shù)更多集中在如何保證十個(gè)甚至更多個(gè)掩膜版精準(zhǔn)地套刻在一起。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對(duì)齊機(jī)臺(tái)并領(lǐng)先了幾年,Cobilt公司做出了自動(dòng)生產(chǎn)線,但接觸式機(jī)臺(tái)后來(lái)被接近式機(jī)臺(tái)所淘汰,因?yàn)檠谀ず凸饪棠z多次碰到一起太容易污染了。

1973年,拿到美國(guó)軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統(tǒng),搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高,因此迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)。[2]

1978年,GCA推出了世界上第一臺(tái)商用步進(jìn)光刻機(jī)DSW4800(direct step to wafer)。該機(jī)器使用g線汞燈和蔡司光學(xué)元件。以10:1的比例將芯片線路成像到10毫米見(jiàn)方區(qū)域。機(jī)器價(jià)格為45萬(wàn)美元。第一臺(tái)機(jī)器以37萬(wàn)美元的價(jià)格賣(mài)給了德州儀器的研發(fā)部門(mén)。由于剛開(kāi)始DSW4800生產(chǎn)效率相對(duì)不高,Perkin Elmer在后面很長(zhǎng)一段時(shí)間仍處于主導(dǎo)地位。

第二階段:80-90年代 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)第一次轉(zhuǎn)移

80年代左右,因?yàn)槊绹?guó)扶植,最開(kāi)始是將一些裝配產(chǎn)業(yè)向日本轉(zhuǎn)移,而日本也抓住了機(jī)會(huì),在半導(dǎo)體領(lǐng)域趁勢(shì)崛起。

在90年代前后,日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成為了全球第一,高峰期時(shí)占了全球60%多的份額,出口額全球第一,超過(guò)美國(guó)。

在那個(gè)芯片制程還停留在微米的時(shí)代,能做光刻機(jī)的企業(yè),少說(shuō)也有數(shù)十家,而尼康憑借著相機(jī)時(shí)代的積累,在那個(gè)日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全面崛起的年代,正是當(dāng)之無(wú)愧的巨頭。

短短幾年,就將昔日光刻機(jī)大國(guó)美國(guó)拉下馬,與舊王者GCA平起平坐,拿下三成市場(chǎng)份額。

而后來(lái)尼康作為九十年代最大的光刻機(jī)巨頭,它的衰落,說(shuō)來(lái)也充滿偶然,始于那一回157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術(shù)之爭(zhēng)。

當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)被卡死在193nm,是擺在全產(chǎn)業(yè)面前的一道難關(guān)。

降低光的波長(zhǎng),光源出發(fā)是根本方法,但高中學(xué)生都知道,光由真空入水,因?yàn)樗�的折射�?光的波長(zhǎng)會(huì)改變——在透鏡和硅片之間加一層水,原有的193nm激光經(jīng)過(guò)折射,不就直接越過(guò)了157nm的天塹,降低到132nm了嗎![3]

林本堅(jiān)拿著這項(xiàng)“沉浸式光刻”方案,跑遍美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó),游說(shuō)各家半導(dǎo)體巨頭,但都吃了閉門(mén)羹。

當(dāng)時(shí)還是小角色的阿斯麥(1984年飛利浦和一家小公司ASM Internationa以50:50組成的合資公司,最初員工只有31人)決定賭一把,相比之前在傳統(tǒng)干式微影上的投入,押注浸潤(rùn)式技術(shù)更有可能以小博大。于是和林本堅(jiān)一拍即合,僅用一年時(shí)間,就在2004年就拼全力趕出了第一臺(tái)樣機(jī),并先后奪下IBM和臺(tái)積電等大客戶的訂單。