文︱郭紫文

 

“如果我们交不出EUV,摩尔定律就会从此停止。”ASML首席执行官Peter Wennink于2017年如是说。作为全球唯一能够制造EUV光刻机的厂商,ASML的发展历程堪称传奇。这家企业自成立之初一无所有、处处碰壁,花费了17年才终于拿到了“金牌”。从步进式光刻机到浸润式光刻机,再到EUV光刻机,ASML的成功离不开一次次的正确抉择和冒险精神。

 

时间退回到20世纪60年代,距离ASML成立还有二十余年,集成电路已经在美国加州海岸发展得如火如荼。而在集成电路制造全部流程中,光刻是最为关键的一环。围绕光刻技术,David Mann(GCA子公司)、Perkin-Elmer等公司开始了最初的技术与市场积累。在荷兰飞利浦实验室终于开始研发光刻机时,David Mann已经开发出重复曝光光刻机,并将其推入了市场。

 

随着集成电路结构逐渐缩小,接触式光刻逐渐难以满足精度需求,光学光刻技术被认为是临时方案,而电子束、离子或X射线成像技术终将占领市场,产业正寻求光刻技术全新的突破。1970年代末,Perkin-Elmer凭借投影扫描光刻机获得了90%的光刻市场,一跃成为半导体行业最大的设备供应商。David Mann也迅速推出第一台步进光刻机,与前者展开正面博弈。

 

而在1971年,飞利浦虽率先开发出步进光刻机,但直至80年代初,该公司连一台能正常启动或运行的机器都没有制造出来。与之相对,同时期的Perkin-Elmer全球交付量已超2400台;GCA也销售了200台步进光刻机。正如《光刻巨人》扉页上描述的那样,荷兰飞利浦实验室制造出一台像印钞票一样合法赚钱的机器,而这台机器在未来二十年里除了吞噬金钱没有做任何事情。

 

CGA走入黄昏

 

如前面所说,1980年代初,美国的Prekin-Elmer和GCA主导着全球光刻机市场,日本的尼康、佳能也显示出强劲的发展势头。而荷兰的飞利浦却陷入了停滞状态,当该公司于1983年终于答应与ASM合作的时候,这头吞金巨兽已经严重拖累了飞利浦,其光刻机研发已经走到了穷途末路。

 

尽管ASM的救火让其光刻机业务得以继续,但成立之初的ASML缺的不仅是钱,还有光学器件和人才。由于产品不够成熟、缺乏市场知名度等问题,ASML第一台光刻系统PAS 2000的销量惨淡,连续多年仍面临巨额亏损。

 

在八十年代中期,ASML终于拉到蔡司作为光学器件供应商,全面优化了PAS 2000的光学系统,并于次年推出了PAS 2500。但此时的半导体市场却陷入了低迷,入不敷出的ASM不得不卖身自保,同时从ASML撤资。同样受到影响的还有GCA和Prekin-Elmer,由于新产品开发停滞不前,这两家曾经的巨头先后于1988年和1990年被General Signal和SVG收购。

 

PAS 2000光刻机(图源:《光刻巨人》)

 

1990年代,在飞利浦的投资下,ASML推出了PAS 5500,并凭借领先的分辨率吸引了关键客户,迈向了成熟的第一步。1995年,ASML于阿姆斯特丹和纽约证券交易所上市。而后几年,飞利浦也陆续出售了全部股份,ASML成为了一家完全独立的上市公司。

 

PAS 5500光刻机(图源:ASML)

 

光刻技术的岔路口

 

长期以来,摩尔定律被集成电路产业奉为圭臬,而进入1990年代,干式微影技术已经难以维系摩尔定律的演进,最终停滞在193nm波长的光刻技术上。业界逐渐开始寻求光刻技术的突破点,并进行了各种各样的尝试,其中不限于157nm F2激光、电子束投射(EPL)、离子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光等,但无疑都以失败告终。

 

针对光刻技术的创新,主要集中在如何降低曝光关键尺寸(CD)上,这就引出一个公式:CD=K1*λ/NA。从瑞利公式可以看出,曝光关键尺寸与波长、数值孔径以及制程因子三个参数有关。根据诉求,降低曝光关键尺寸,只需降低波长、增大数值孔径,或降低制程因子。

 

在光刻市场陷入僵局时,台积电林本坚博士提出了193nm浸润式光刻技术。原理很简单,在晶圆光刻胶上方加1mm厚的水,激光经过水的折射,波长直接从193nm降低至134nm。然而在当时,这项技术却被尼康、佳能等头部企业拒之门外,只有ASML选择与之合作。

 

2004年,ASML在台积电的帮助下成功研发出首台浸润式光刻机,并一举拿下了多家大客户的订单。浸润式光刻的出现无形当中宣判了干式微影光刻技术的死亡,在尼康终于攻克了157nm干式微影光刻技术的时候,其结果可想而知。随后,尼康也将目光转向浸润式光刻技术,但始终落后一程。也正是这次冒险的赌注,ASML彻底摆脱了以往的窘境。凭借浸润式光刻技术,ASML于2007年以60%的市占率超越尼康,成为光刻市场的领导者。

 

头号玩家的杀手锏

 

在业界寻求突破193nm光刻瓶颈时,EUV也是其中一个方向。然而受限于当时的技术水平,这项技术一直没能实现。从1997年成立到2003年解散,EUV LLC联盟集中全产业链之力,推进了EUV光刻技术的研究进程。ASML也有幸被选入其中。

 

联盟解散后,ASML仍坚持攻克EUV光刻技术,并于2010年终于将第一台EUV光刻机交付给台积电。此后,ASML凭借EUV光刻技术,逐渐成为光刻机市场不可撼动的霸主。2012年,英特尔、台积电、三星等厂商纷纷注资入股ASML,以支持其EUV光刻技术的改进与升级,从而换取优先供货权。

 

2013年之后,为加速EUV技术的发展,ASML不断进行并购整合,陆续收购了光刻光源制造商Cymer、电子束测量工具供应商HMI、荷兰高科技公司Mapper以及Berliner Glas集团等。聚焦EUV光刻领域,ASML于二十余年内投资超60亿欧元,并于2020年实现了EUV光刻机大规模量产。

 

在ASML公布的规划里,新一代EUV光刻系统正在紧锣密鼓地开发中,预计2023年开放原型试做机,2025年将大规模量产,并于客户工厂全面投入运营。面向3nm及以下工艺节点,新一代EUV系统将数值孔径从0.33提高至0.55,拥有更高的分辨率和吞吐量,突破了0.33 NA EUV芯片图案化与单次曝光的瓶颈。

 

EUV光刻机(图源:ASML)

 

国产光刻机启示

 

纵观光刻机发展历程,这项最精密复杂、难度最高、价格高昂的技术,在漫长的发展过程中,不断推动着摩尔定律的演进,让全球半导体产业为之前赴后继。然而高昂的研发成本与巨大的研发难度,让光刻技术一次次走向岔路口。从ASML的发家史便可以看出,从一无所有到光刻霸主,选择比投入更重要。

 

回顾中国光刻技术发展,1965年中国第一块集成电路问世,因此业界大胆推测,我国光刻技术的研发可以追溯至这一时间点前后。中国最早于1977年推出了接触式光刻机,而后于1985年研制出分步光刻机样机。1980年代之前,国内光刻市场乃至半导体产业的发展虽与国际有差距,但也是稳步前进的。

 

80年代中期,当全球光刻市场从美国向日本迁移时,国内开始奉行“造不如买”政策。在这样的形势下,中国的集成电路产业开始脱节,光刻技术的发展一度停滞不前,并迅速与国际形成巨大代差。直到2000年之后,大批海归回国创业,为国内半导体产业带来了丰富的经验和活力,光刻技术的研发重又步入正轨。国内涌现出一批聚焦光刻系统的企业,其中上海微电子于2007年成功研发了我国第一台90nm光刻机。

 

从当前进展来看,国内光刻技术还与国际水准相差甚远。而近年来,美国频频对中国的制裁施压,也对国内集成电路的发展造成了一定的影响。这个影响是两方面的,一方面对国内产业技术的发展有所掣肘,另一方面也加速了国产替代的进程。

 

对于我国光刻机产业而言,技术、人才、市场都是绕不开的坎,ASML的成功虽难以复刻,但也有很大的学习之处和借鉴意义。首先,对于光刻相关核心技术人才的培养很重要,也很关键。其次,对于光刻系统涉及技术及零部件,应该形成更加分明的产业分工。不仅要重视光刻技术,还需重视供应链的完善。