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光刻机汗青生长历程及将来生长趋势

时间:2019-05-28来源:申博太阳城浏览次数:

航空发动机一向被誉为人类顶尖产业皇冠上的明珠。但近来十年,赓续应战物理学极限的半导体光刻机,大有应战明珠之王的趋向。


航发是在极度高温高压下应战资料和能量密度的极限,而光刻是在比头发丝还细千倍的处所应战激光波长和量子隧穿的极限。


更难过的是,和低可靠性的航天高科技分歧,航发和光刻的可靠性也是人类自满之花:前者包管了天天十万架飞机在天空平安遨游,后者在环球工场每秒钟刻出上千亿个晶体管分毫不差。

震动一下,看看芯片内部 Credit: ASML


注:1nm=0.000000001米


引子


2000年,建立15年事先排名天下第二的荷兰ASML(阿斯麦)公司已胜利占有韩国和台湾市场,但还在揣摩怎样卖光刻机给当时芯片的相对霸主英特尔(Intel)。


缺少新一代157nm激光须要设置装备摆设的反折射镜头手艺也是让ASML焦炙的处所。同时,在美国能源部和几大芯片巨子合建的EUV光刻同盟里,ASML还只是个小副角。


这时刻下一代光刻手艺生长会怎样,悉数半导体届没有人晓得。


在转折关头,ASML决议另辟蹊径,报价16亿美圆收买市值只要10亿的硅谷团体(SVG)。曾光辉的SVG事先在光刻机的市场份额只要不到8%,年营业额只要2.7亿美圆,并且193nm产物程度还远不如ASML。以是华尔街以为ASML买贵了,ASML股价当天狂跌7.5%。


然则从厥后的结果看,ASML即是费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。别的,SVG具有最成熟的157nm光学手艺,即是ASML买了一个手艺双保险,这点背面会再胪陈。


不外,别以为西方人都是一家子。此次收买仍遭到美国政府和商会的阻止,美国国防部检察说ASML董事长在一个曾违背禁令偷偷卖夜视镜给伊拉克的荷兰公司当过董事。


中国公司的老敌手美国外国投资委员会终究在收买协定上加了一堆前提,个中包罗不准收买SVG卖力打磨镜片的子公司Tinsley,以及包管种种手艺和人材留在美国。


这些前提反而让ASML水到渠成地成为了半个美国公司,享遭到美国强劲的基础科学带来的巨大优点,为多年后在EUV一支独秀做了有力的铺垫。


初期,60-70年代


光刻机的道理实在像幻灯机一样简朴,就是把光经由过程带电路图的掩膜(Mask,厥后也叫光罩)投影到涂有光敏胶的晶圆上。初期60年代的光刻,掩膜版是1:1尺寸紧贴在晶圆片上,而当时晶圆也只要1英寸巨细。


因而,光刻当时并非高科技,半导体公司一般本身设想工装和东西,好比英特尔最先是买16毫米摄像机镜头拆了用。只要GCA, K&S和Kasper等很少几家公司有做过一点点相干装备。


60年代末,日本的尼康和佳能最先进入这个范畴,究竟结果事先的光刻不比拍照机庞杂。


70年代初,光刻机手艺更多鸠合在怎样包管十个以至更多个掩膜版精准地套刻在一同。Kasper仪器公司起首推出了打仗式对齐机台并抢先了几年,Cobilt公司做出了自动消费线,但打仗式机台厥后被靠近式机台所镌汰,因为掩膜和光刻胶屡次遇到一同太轻易污染了。


1973年,拿到美国军方投资的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻体系,搭配正性光刻胶异常好用并且良率颇高,因而敏捷占有了市场。


1978年,GCA推出真正古代意义的自动化步进式光刻机(Stepper),分辨率比投影式高5倍到达1微米。这个怪怪的名字来自于拍照术语Step and Repeat,这台机械浅显点说把透过掩膜的约莫一平方厘米的一束光照在晶圆上,暴光完一块挪个职位再刻下一块。因为刚最先Stepper消费效力相对不高,Perkin Elmer在背面很长一段时候仍处于主导职位。


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末多,一台机械又能用好多年。这致使你的机械落伍一点,就没人情愿买了。手艺抢先是争取市场的症结,赢家通吃。


80年代一最先,GCA的Stepper还轻微抢先,但很快尼康出售了本身首台商用Stepper NSR-1010G,具有更先进的光学体系极大提高了产能。两家一同挤压了别的厂商的份额,尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市场份额从80年凌驾3成疾速跌到84年不到5%。


看过我写的《内存的故事》的同伙都晓得,80年代是日本半导体最风景的时刻,本地险些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援,并最先抨击美国市场。


因为GCA的镜片组来自蔡司,不像尼康本身具有镜头手艺,协作的题目使得GCA产物更新方面一向落伍了半拍。1982年,尼康在硅谷设立尼康精机,最先从GCA手里夺下一个接一个大客户:IBM、Intel、TI、AMD等。


到了1984年,尼康已和GCA等量齐观,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%。


为何我们要专程看1984年呢?


起首我们致敬一下苹果,震动天下的告白《1984》宣告了第一代Mac(我如今打字电脑的老祖宗)。然后,请出我们故事的主角:ASML。


ASML被广为流传成是飞利浦星散的出来的,虽然不克不及说纰谬,然则和人人设想的那模样照样分歧的。


飞利浦在试验室里研发出stepper的原型,然则不敷成熟。因为光刻市场太小,飞利浦也不克不及确认它是不是有商业价值,去美国和P&E、GCA、Cobilt、IBM等谈了一圈没人情愿协作。


有家荷兰小公司叫ASM International的老板Arthur Del Prado听说了有这么回事,主动请求协作。但这家署理身世的公司只要半导体前后道的履历,对光刻实在不太懂,即是算半个天使投资加半个分销商。


飞利浦犹疑了一年时候,末了委曲赞同了设立50:50的合伙公司。1984年4月1日ASML建立的时刻,只要31名员工,在飞利浦大厦表面的木板浅易房里事情。

ASML最早建立时的浅易平房,背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。第一代产物不敷成熟,然则背靠飞利浦大树的种种资本和容谦让它生计了下来。


ASML在1985年和蔡司(Zeiss)协作革新光学体系,终究在1986年推出异常棒的第二代产物PAS-2500,并第一次卖到美国给事先的创业公司Cypress,本日的Nor Flash巨子。


有意义的是,1986年半导体市场大滑坡(好比光三星半导体就亏了3亿美圆),致使美国一帮光刻机厂商都遇到严峻的财政题目。ASML还小,以是丧失不大,还能够按既有设计开辟新产物。同期,GCA和P&E的新产物开辟都阻滞了下来。


1988年GCA资金严峻匮乏被General Signal收买,又过了几年GCA找不到买主被封闭。General Signal旗下别的一家Ultratech终究被MBO,然则范围也不大了。1990年,P&E光刻部也支持不下去被卖给SVG。


1980年还占有大荆棘铜驼的美国三雄,到80年代末职位完整被日本双雄庖代。这时刻ASML还只要约莫10%的市场占有率。


波长的合作


疏忽掉美国被边缘化的SVG、Ultratech等公司,90年代一向到如今的款式,一向是ASML和尼康的合作,佳能在旁边看热闹。


以是我们要最先讲一点点手艺了。


半导体范畴的原生驱动力是摩尔定律。摩尔定律实在应当被叫做摩尔预言,这个预言中心还悛改一次。戈登摩尔博士1965年最早的预言是集成电路密度每一年翻倍,而1975年他本身改成每两年翻倍。


有人说,这是人类汗青上最巨大的“自我完成的预言”,因为英特尔就是照着这个预言一起疾走数十年,直到光刻手艺被卡在193nm上十多年酿成网友说的“牙膏厂”。


为了完成摩尔定律,光刻手艺就须要每两年把暴光症结尺寸(CD)下降30%-50%。依据瑞利公式:CD=k1*(λ/NA),我们能做的就是下降波长λ,提高镜头的数值孔径NA,下降综合要素k1。


搞更短的波长是最直接的手腕。90年代前半期,光刻最先运用波长365nm i-line,后半期最先运用248nm的KrF激光。激光的可用波长就那末几个,00年代光刻最先运用193nm波长的DUV激光,这就是有名的ArF准分子激光,包罗近视眼手术在内的多种运用都运用这类激光,相干激光发生器和光学镜片等都对照成熟。


但谁也没想到,光刻光源被卡在193nm没法提高长达20年。直到本日,我们用的统统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种种逾越193nm的计划,个中包罗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:每家都钻研,但SVG和尼康离产物化近来。


157nm光会被现有193nm机械用的镜片吸取,光刻胶也要从新研制,以是革新难度极大,而对193nm的波长提高只要不到25%,研发投入产出比太低。ASML收买SVG后获取了反射手艺,2003年终究出品了157nm机械,但错过时候窗口完败于低本钱的浸入式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厥后到场。

石墨烯产业发展操之过急,产业大繁荣或成泡沫

日前,中国科协组织中国科学院院士成会明、国际材联主席韩雅芳等10多位专家赴东北某省调研石墨项目。然而,最后的调研对象似乎成了石墨烯,因为近20个调研点几乎都有做石墨烯项目。 石墨烯是从石墨中剥离的一种新材料。从“石墨”到“石墨烯”,一字之差,却能一窥石墨烯在中国持续升温的现状。在这股热浪下,习惯坐冷板凳的石墨烯专家被拥为座上宾。然而,备受瞩目的专家们却纷纷紧锁眉头:石墨烯产业发展,有些操之过急! 如今,石墨烯是“明星材料”,但10年前并没有太多人关注它。2004年,俄罗斯科学家安德烈·盖姆和同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次分离出石墨烯,石墨烯出色的性能惊讶了世人。两位科学家也因此获得2010年的诺贝尔物理学奖。随之而来的是学界和产业界对石墨烯的竞相追逐,在国内,此现象尤甚。 据《全球石墨烯产业研究报告(2018)》显示,截至2017年12月底,我国从事石墨烯的研发、生产、销售推广等相关单位的数量多达4800多家。一些石墨矿资源相对丰富的地区,把发展石墨烯产业视为经济转型升级的“灵丹妙药”,石墨烯产业园遍地开花。 但易被忽略的是,不论何种应用场景,石墨烯的使用量可谓九牛一毛。比如用于材料改性时,通常只需添加百分之零点几的石


关于EUV,我放到背面在说吧。


1nm 靠近式X光:日本阵营(ASET, Mitsubishi, NEC, Toshiba, NTT)和 IBM


这算是个浪漫阵营吧,人人就没想过产业化的事


0.004nm EBDW或EPL: 朗讯Bell试验室,IBM,尼康。ASML和运用资料被约请到场后又领先退出。


这是尼康和ASML对决的挑选,尼康试图直接逾越到将来手艺击败ASML,但惋惜这个决斗应当发生在2020年而不是2005年,尼康没有选错手艺然则选错了时候。尼康最主要的手艺盟友IBM在2001年也分心到场了EUV同盟。


0.00005nm IPL: 英飞凌、欧盟。ASML和莱卡等公司也有介入。


离子光刻从波长来看是最浪漫的,然则光刻分辨率不但由波长决议,还要看NA。人类现有科技可用离子光刻的光学体系NA是0.00001,比193nm的NA=0.5~1.5刚好差10万倍,上风被抵消了。


以上统统勤奋,险些悉数失利了。


它们败给了一个工程上最简朴的解决办法,在晶圆光刻胶上方加1mm厚的水。水能够把193nm的光波长折射成134nm。


浸入式光刻胜利翻越了157nm大关,直接做到半周期65nm。加上厥后精益求精的高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段敏锐的光刻胶等手艺,浸入式193nm光刻机一向做到本日的7nm(苹果A12和华为麒麟980)。


2002年台积电的林本坚博士在一次钻研会上提出了浸入式193nm的计划,随后ASML在一年的时候内就开辟出样机,充足证明了该计划的工程友好性。


随后,台积电也是第一家完成浸入式量产的公司,随后终究追上之前制程手艺遥遥抢先的英特尔,林博士因而获得了高尚的声誉和种种奖项。


MIT的林肯试验室好像不服气,他们以为本身在2001年就提出了这个浸入式计划。ASML好像也没有在任何书面申明本身开辟是受林博士启示。


实在油浸镜头转变折射率的体式格局由来已久,产业界争辩是谁的设法主意在先历来不主要,行胜于言。林博士的孝敬是台积电和ASML同心协力把设法主意酿成了实际。


日荷争霸


在ASML推出浸入式193nm产物的前后脚,尼康也宣告本身的157nm产物以及EPL产物样机完成。然则,浸入式属于小革新大结果,产物成熟度异常高,以是险些没有人去订尼康的新品。尼康被迫随后也宣告去做浸入式光刻机。


之前我们提到光刻范畴是赢家通吃,新产物老是须要最少1-3年时候由前后道多家厂商通力磨合。他人比你早量产就比你多了时候去改良题目和提高良率。


光刻机就像印钞机,资料本钱能够疏忽不计,而时候就像金子一样名贵。


半导体厂商更情愿去买成熟的ASML产物,不想去给尼康当白鼠。


这致使背面尼康的大溃败。尼康在2000年照样老迈,但到了2009年ASML已市占率近7成遥遥抢先。尼康新产物的不成熟,也间接联系关系了大批运用其装备的日本半导体厂商的团体衰落。


佳能在光刻范畴一向没争过老迈。昔时它的数码相机称霸天下利润很好,对一年销量只要百来台的光刻机注重不敷。


佳能的思绪是一款产物要卖良久,他们一看193nm尼康和ASML打得太凶猛就直接撤了。直到如今佳能还在卖350nm和248nm的产物,给液晶面板以及模仿器件厂商供货。


尼康在浸入式一败北下来就完全没有还手之力了,因为接下来EUV的开辟须要投入巨资并且远景未卜,英特尔倒向ASML使得尼康失去了应战摩尔定律的勇气。


EUV光刻机


接下来,我们再说说EUV。这个产物实际上是ASML在没有合作敌手的情况下研发的,并且做了十多年到本日也没有量产。


那它背地的驱动力是什么呢?我看了一些文献,英特尔相对是最坚决的支持者,因为它的任务之一就是让摩尔定律走下去。


早在1997年,英特尔看到应战193nm的巨大难度,刻意鸠合人类精英一同愚公移山,有点漂泊地球的意义。他们说服了美国对高科技最开通的克林顿内阁,以公司情势发起了EUV LLC如许的一个协作构造。


这个构造由英特尔和美国能源部牵头,鸠合了事先还方兴未艾的摩托罗拉以及AMD,以及享有盛誉的美国三大国度试验室:劳伦斯利弗莫尔试验室,劳伦斯伯克利试验室和桑迪亚国度试验室,投资两亿美圆鸠合几百位顶级科学家,从理论上考证EUV能够存在的手艺题目。


英特尔还力邀ASML和尼康到场EUV LLC,因为事先美国光刻已不太行了。但此举遭到美国政府的阻止,因为他们舍不得让外国公司分享美国最前沿手艺。


终究结果是尼康被消除在外,ASML做了一堆对美国孝敬的允诺后被许可到场。别的一家破例的非美国公司是英飞凌,它被许可和Micron一同到场EUV LLC。


我们回看昔时种种逾越193nm的手艺计划,许多公司是摆布下注的,只要英特尔坚决地选了EUV,并且让它终究成为了实际。


看昔时的一些回忆录,说英特尔本身并未派出若干工程师,然则列了几百项困难一向拿着小鞭子催促那些科学家不停地勤奋。


EUV算是软X光,穿透物体时散射吸取都异常凶猛,这使得光刻机须要异常异常强的光源,这个难度是巨大的。连氛围都能吸取EUV,以是机械内部还得做成真空的。


传统光刻用的许多透镜因为会吸取X光要换成反射镜,听说193nm的最新光刻机里镜头加起来就有一吨重,而这些手艺都用不上了。


因为光刻精度是几纳米,EUV对光的鸠合度请求极高,相称于拿个手电照到月球光斑不凌驾一枚硬币。反射请求的镜子请求长30cm升沉不到0.3nm,这相称因而北京到上海做根铁轨升沉不凌驾1毫米。


以是,EUV不仅是顶级科学的钻研,也是顶级邃密精美制作的学问。


EUV的小镜子由德国蔡司消费,ASML还因而专程购买了Carl Zeiss SMT公司24.5%的股分。


1997年-2003年,6年间EUV LLC的科学家宣布了几百篇论文,考证了EUV光刻机的可行性。然后EUV LLC同盟遣散。


接下来留给ASML一个题目,是做照样不做呢?


幸亏ASML历来没有犹疑过。2006年它推出原型,2007年制作了10000平米的超等无尘室,等着招待2010年降生的第一台研发用样机:NXE3100。


2012年,ASML请英特尔、三星和台积电入股本身,愿望人人配合负担这个人类的巨大工程,因为研发投入须要每一年10亿欧元。


2015年,可量产的样机宣告。虽然售价高达1.2亿美圆一台,但照样收到雪片一样的定单。列队等交货,都要等好几年。


一台EUV光刻机重达180吨,凌驾10万个零件,须要40个集装箱运输,装置调试都要凌驾一年时候。


来岁,我们就可以买到EUV加工出来的芯片做的手机了。

EUV光刻机 Credit: ASML


跋文


置信在将来,人类肯定能够打破光学光刻机的极限,不管用电子离子照样终究摒弃硅基。然则,就在刚写完文章的如今,我只想衷心为这些巨大的公司喝采。


须要强调的是,在半导体制作中,光刻只是个中的一个环节,别的另有有数先进科技用于前后道工艺。


恰是因为他们再接再厉的勤奋,才使得我们在这个统统由芯片驱动的巨大时期,享受着种种手机、电脑、家电、汽车飞机和互联网带给我们的出色生涯。


泉源:报人刘亚东

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