为什么最好的光刻机来自荷兰，而不是美国？

要知道为什么最好的光刻机来自荷兰,而不是美国,得从半导体发展的三个历史阶段说起。

前言

在20世纪70年代初,荷兰飞利浦研发实验室的工程师们制造了一台机器:一台试图像印钞票一样合法赚钱的机器。但他们当时并没有意识到自己创造了一个“怪物”,这台机器在未来的20年里除了吞噬金钱没有做任何事情。

第一阶段:上世纪60-70年代 早期光刻机

在光刻机的早期阶段,美国是走在世界前面的,那时候还没有ASML。

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。[2]

1978年,GCA推出了世界上第一台商用步进光刻机DSW4800(direct step to wafer)。该机器使用g线汞灯和蔡司光学元件。以10:1的比例将芯片线路成像到10毫米见方区域。机器价格为45万美元。第一台机器以37万美元的价格卖给了德州仪器的研发部门。由于刚开始DSW4800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。

第二阶段:80-90年代 半导体产业第一次转移

80年代左右,因为美国扶植,最开始是将一些装配产业向日本转移,而日本也抓住了机会,在半导体领域趁势崛起。

在90年代前后,日本的半导体产业成为了全球第一,高峰期时占了全球60%多的份额,出口额全球第一,超过美国。

在那个芯片制程还停留在微米的时代,能做光刻机的企业,少说也有数十家,而尼康凭借着相机时代的积累,在那个日本半导体产业全面崛起的年代,正是当之无愧的巨头。

短短几年,就将昔日光刻机大国美国拉下马,与旧王者GCA平起平坐,拿下三成市场份额。

而后来尼康作为九十年代最大的光刻机巨头,它的衰落,说来也充满偶然,始于那一回157nm光源干刻法与193nm光源湿刻法的技术之争。

当时的光刻机的光源波长被卡死在193nm,是摆在全产业面前的一道难关。

降低光的波长,光源出发是根本方法,但高中学生都知道,光由真空入水,因为水的折射率,光的波长会改变——在透镜和硅片之间加一层水,原有的193nm激光经过折射,不就直接越过了157nm的天堑,降低到132nm了吗![3]

林本坚拿着这项“沉浸式光刻”方案,跑遍美国、德国、日本等国,游说各家半导体巨头,但都吃了闭门羹。

当时还是小角色的阿斯麦(1984年飞利浦和一家小公司ASM Internationa以50:50组成的合资公司,最初员工只有31人)决定赌一把,相比之前在传统干式微影上的投入,押注浸润式技术更有可能以小博大。于是和林本坚一拍即合,仅用一年时间,就在2004年就拼全力赶出了第一台样机,并先后夺下IBM和台积电等大客户的订单。