現(xiàn)在，幾乎無(wú)人不識(shí)光刻機(jī)，今天最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)其本與一架新的波音噴氣式客機(jī)一樣高。在光刻機(jī)的發(fā)展歷程中，有前赴后繼的各國(guó)廠商，美國(guó)發(fā)明，日本發(fā)揚(yáng)，荷蘭成為最終贏家。

　　今天我們就要討論下，美國(guó)作為光刻技術(shù)的發(fā)明者，是如何一步步丟失掉半導(dǎo)體制造這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的。美國(guó)光刻技術(shù)的研究，從貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究開(kāi)始，到Fairchild的改進(jìn)，再到GCA公司成為第一家制造步進(jìn)設(shè)備的公司，再到Cobilt和P-E公司的不斷發(fā)展演進(jìn)，直到美國(guó)最后一家光刻技術(shù)公司SVG被ASML收購(gòu)，一個(gè)個(gè)早期的公司相繼被收購(gòu)、剝離、解散，美國(guó)逐漸失去了擁有光刻機(jī)的機(jī)會(huì)。

　　始于貝爾實(shí)驗(yàn)室

　　早在1950年代中期，貝爾實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始嘗試將圖像打印到硅片上。1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Jules Andrus和Walter L. Bond開(kāi)始采用現(xiàn)有的光刻（也稱為光刻）技術(shù)在印刷電路板上制作圖案，使用 Frosch 和 Derick 的二氧化硅層在硅片上產(chǎn)生更精細(xì)、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。在該層上涂上光敏涂層或“抗蝕劑”，并通過(guò)光學(xué)掩膜將所需的圖案暴露在該層上，然后在未暴露的抗蝕劑被沖洗掉的地方，通過(guò)化學(xué)蝕刻確定精確的窗口區(qū)域。雜質(zhì)通過(guò)這些開(kāi)口擴(kuò)散到下面的硅中，形成半導(dǎo)體器件所需的n型硅和p型硅區(qū)域。

　　1957年，美國(guó)陸軍Diamond Ordnance Fuse實(shí)驗(yàn)室的Jay Lathrop和James Nall在早期嘗試將電子電路小型化時(shí)獲得了光刻技術(shù)的專利，該技術(shù)用于沉積約200微米寬的薄膜金屬條，以連接陶瓷基板上的分立晶體管。他們還使用這些技術(shù)在二氧化硅中蝕刻孔以制造二極管陣列。1959 年，Lathrop 加入德州儀器，Nall去了Fairchild。繼這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的工作之后，Jay Last 和 Robert Noyce于1958年在Fairchild制造了首批“步進(jìn)重復(fù)”相機(jī)之一，利用光刻技術(shù)在單個(gè)晶圓上制造了許多硅相同的晶體管。

　　光刻先驅(qū)GCA公司的崛起和沒(méi)落

　　GCA 是被稱為光刻的重要芯片制造技術(shù)的先驅(qū)。1959年的今天，GCA收購(gòu)了David W. Mann。1961年，GCA公司的David W. Mann部門是第一家制造商業(yè)步進(jìn)和重復(fù)掩模減少設(shè)備（photo-repeaters）的公司。光中繼器是晶圓步進(jìn)機(jī)的前身。

　　1975年，GCA推出了首個(gè)用于抗蝕劑加工的晶圓軌道。1978年，GCA推出DSW 4800，第一個(gè)成功的晶圓步進(jìn)器（g線，10X，蔡司0.28NA鏡頭，10mmX10mm場(chǎng)尺寸），價(jià)格在450美元。GCA的早期客戶包括IBM、ATT、Fairchild、國(guó)家半導(dǎo)體和西門子等。雖然實(shí)際的發(fā)布是在78年，但測(cè)試工具是在77年交給IBM的。步進(jìn)器徹底改變了半導(dǎo)體模式，步進(jìn)顯示了更低的缺陷率，顯著更好的覆蓋性能，和更好的收率。然而，與Perkin Elmer（下文有提到）的投影對(duì)準(zhǔn)儀相比，其吞吐量較低。256K DRAM這一代產(chǎn)品真正讓步進(jìn)器成為主流光刻工具。

　　然而，1980年尼康推出日本首個(gè)商用步進(jìn)機(jī)NSR-1010G。尼康的成功擊敗了GCA。尼康通過(guò)生產(chǎn)比GCA更高分辨率的鏡頭吸引了客戶。尼康能夠以5倍的分辨率的減少實(shí)現(xiàn)1?m的分辨率，而不是10倍。有了這個(gè)步進(jìn)器，機(jī)器就不再“慢”了。GCA想努力趕上這一發(fā)展，但蔡司是他們唯一的鏡頭供應(yīng)商，他們很難及時(shí)儲(chǔ)備足夠的材料。因此，GCA在交付具有競(jìng)爭(zhēng)力的工具時(shí)有所延遲。GCA也從在日本的步進(jìn)市場(chǎng)份額從1981年的68%下降到1983年的45%左右。

　　1982年，GCA從Coherent Laser公司購(gòu)買了Tropel透鏡制造單元。1985年研發(fā)出了第一臺(tái)為貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的DUV步進(jìn)器?！癎CA當(dāng)時(shí)花了500萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)第一個(gè)g-line步進(jìn)器。其i-line步進(jìn)器的開(kāi)發(fā)成本為2500萬(wàn)美元，DUV步進(jìn)器的開(kāi)發(fā)成本為1.4億美元。”在1988年的SEMI工業(yè)戰(zhàn)略研討會(huì)（ISS）上Neil Bonke說(shuō)到。

　　1985-1986 年，GCA在兩年內(nèi)損失1億美元，裁員70%，只有1000人。1988年，General Signal以7600萬(wàn)美元收購(gòu)了陷入財(cái)務(wù)困境的GCA。隨后，Sematech資助GCA開(kāi)發(fā)KrF步進(jìn)器。1993年1月，General Signal宣布其打算剝離其半導(dǎo)體設(shè)備公司。1993年5月，因?yàn)闆](méi)有找到買家，General Signal關(guān)閉GCA。這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)被轉(zhuǎn)移到集成解決方案公司（ISI），該公司后來(lái)在1998年被Ultratech公司收購(gòu)。自此，一代光刻技術(shù)的先驅(qū)者GCA的詩(shī)篇就被翻過(guò)去了。

　　Cobilt被Perkin-Elmer擠下歷史舞臺(tái)

　　另外一家要說(shuō)的美國(guó)光刻企業(yè)是Cobilt，在說(shuō)Cobilt之前，還有很多背景需要先看下。在1960年代，接觸式印刷是在IC晶圓上曝光圖案的主要技術(shù)，在60年代早期，芯片制造商開(kāi)始自己制造設(shè)備。Kulicke & Soffa（簡(jiǎn)稱：K&S）是第一個(gè)銷售商業(yè)工具的公司。他們非常成功，在60年代幾乎占據(jù)了100%的市場(chǎng)份額（盡管很?。?970年，K&S與Computervision公司合作開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)儀，并在WESCOM展會(huì)上提供。K&S在出售50多臺(tái)后，對(duì)該事業(yè)失去了興趣，退出了該事業(yè)。

　　后來(lái)，Kasper Instruments成為接觸式對(duì)準(zhǔn)器主要供應(yīng)商，到1973年，該公司占領(lǐng)了觸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)器大約一半的市場(chǎng)。接觸式對(duì)準(zhǔn)器使用簡(jiǎn)單快捷，但需要將掩模和晶圓直接接觸，可能會(huì)損壞掩?；蛭廴揪A。為了解決這些問(wèn)題，在1973年引入了接近對(duì)準(zhǔn)器（Proximity aligner）。從1974年開(kāi)始，Kasper出售的對(duì)準(zhǔn)器中有將近一半具備這種能力，但因?yàn)槠洳惶糜?，再加上佳能的?jìng)爭(zhēng)，銷量穩(wěn)步下降，公司在1981年離開(kāi)了這個(gè)行業(yè)。

　　然后Kasper Instruments的三位工程師出去創(chuàng)立了一家制造接觸式打印機(jī)的的公司Cobilt。1970年以后，Cobilt開(kāi)發(fā)光刻晶圓片track技術(shù)，不過(guò)track業(yè)務(wù)最終出售給了日本的東京電子（Tokyo Electron Ltd.），這也成為東京電子track的起源。

　　Cobilt還制造了機(jī)械對(duì)準(zhǔn)器（mechanical aligners），該對(duì)準(zhǔn)器打印半導(dǎo)體晶圓的技術(shù)比當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要好一些，并且該機(jī)器有一個(gè)自動(dòng)對(duì)齊包，可以讓你更精確地對(duì)齊層。這種機(jī)器在世界各地銷售了數(shù)百臺(tái)，直到投影打印對(duì)準(zhǔn)器占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　Cobilt之后就是Perkin-Elmer（簡(jiǎn)稱P-E），它的崛起也擊敗了Cobilt。1973年，Perkin-Elmer公司推出了microralign投影掃描儀，這是一項(xiàng)早期空軍研究合同的成果。當(dāng)掩模對(duì)準(zhǔn)器從接觸式掩模對(duì)準(zhǔn)器進(jìn)入所謂的投影對(duì)準(zhǔn)器，也就是將掩模的圖像投影到晶圓上時(shí)，P-E公司就完全占領(lǐng)了這個(gè)市場(chǎng)。1979年，microralign的價(jià)格為17萬(wàn)美元。microralign當(dāng)時(shí)售出了2000多臺(tái)機(jī)器。1981年，P-E宣布Micralign 500投影機(jī)器每小時(shí)能生產(chǎn)100片晶圓，Micralign 500的價(jià)格為67.5萬(wàn)美元。

　　Cobilt曾試圖也建造一個(gè)投影打印的對(duì)準(zhǔn)器，但卻以失敗告終。1981年，Cobilt光刻曝光工具業(yè)務(wù)被應(yīng)用材料收購(gòu)，應(yīng)用材料公司希望通過(guò)這種方式將光刻工具添加到他們的產(chǎn)品組合中，但最終解散了Cobilt部門。

　　到1980年代后期，日本步進(jìn)供應(yīng)商的主導(dǎo)地位凸顯，美國(guó)芯片制造商開(kāi)始感到擔(dān)憂，為了開(kāi)發(fā)光刻領(lǐng)取的替代品，英特爾與歐洲的一家公司Censor 合作，但步進(jìn)器的制造非常復(fù)雜且昂貴，而且開(kāi)發(fā)速度太慢。而佳能和尼康步進(jìn)機(jī)性能很好，在美國(guó)沒(méi)有可比的設(shè)備，最終英特爾選擇購(gòu)買了日本的設(shè)備。Censor也于1984年被賣給了 Perkin-Elmer。

　　1989年4月，P-E宣布將退出半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù)，在IBM和其他五家公司的投資下，P-E剝離了其電子束光刻部門Etec。接下來(lái)就是SVG的故事了。

　　終于SVG

　　彼時(shí)在1990 年代，硅谷集團(tuán)（Silicon Valley Group，簡(jiǎn)稱SVG）在新任命的首席執(zhí)行官 Papken Der Torossian的領(lǐng)導(dǎo)下擴(kuò)展到光刻領(lǐng)域。SVG曾試圖收購(gòu)GCA，但交易未成。然而，SVG卻成功地獲得了P-E與 IBM 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的下一代步進(jìn)掃描系統(tǒng) Micrascan，于1990年以2000萬(wàn)美元收購(gòu)了P-E的光刻業(yè)務(wù)。在惠普和尼康的談判推動(dòng)下，IBM也對(duì)P-E進(jìn)行了15%的財(cái)務(wù)投資。

　　但SVG的Der Torossian表示，這需要數(shù)千萬(wàn)美元的研發(fā)資金和兩年半的時(shí)間才能修復(fù)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。“他們的機(jī)器無(wú)法工作，平均故障間隔時(shí)間不到一小時(shí)。IBM 無(wú)法使用它。但它擁有非常好的基礎(chǔ)技術(shù)”。

　　1990-1993年，Sematech財(cái)團(tuán)花費(fèi)約3000萬(wàn)美元幫助SVG開(kāi)發(fā)Micrascan。1990年，行業(yè)首個(gè)步進(jìn)掃描工具M(jìn)icrascan問(wèn)世。1992年6月，Micrascan II推出。1993年SVG想與佳能討論共享步進(jìn)掃描技術(shù)。但由于美國(guó)政府施壓，不允許向日本轉(zhuǎn)讓技術(shù)，談判在一年后結(jié)束。然而，在91- 94年期間，它每年只賣出不到10臺(tái)。

　　1996年SVG推出Micrascan III，可切換到準(zhǔn)分子激光源，NA從0.4 - 0.6不等。1999年引入Micrascan 193工具（NA = 0.6）。英特爾、摩托羅拉和德州儀器在1995年總共投資了3000萬(wàn)美元入股SVG，以加速該工具的開(kāi)發(fā)。以英特爾和IBM為主要客戶的Micrascan III，以及隨后的IV和V型號(hào)，每年售出約50臺(tái)，并讓SVG存活了一段時(shí)間。

　　1980年，美國(guó)供應(yīng)商占據(jù)了litho工具市場(chǎng)90%的份額。到1990年，它已跌至10%。GCA和Ultratech各占約4-5%，SVG約1%。他們甚至落后于最新的競(jìng)爭(zhēng)者ASML。

　　據(jù)SemiWiki的報(bào)道，1992年當(dāng)時(shí)還隸屬于飛利浦的ASML正在尋求買家，當(dāng)時(shí)飛利浦找到了SVG的Der Torrossian，欲以6000萬(wàn)美元的價(jià)格出售ASML，但當(dāng)時(shí)SVG沒(méi)有這么多錢，希望以股份制建立合資企業(yè)，而飛利浦需要現(xiàn)金?，F(xiàn)金的短缺讓美國(guó)喪失了保留先進(jìn)光刻技術(shù)的機(jī)會(huì)。

　　2000年10月兩極反轉(zhuǎn)，ASML宣布意向以16億美元收購(gòu)SVG，ASML需要157nm光刻的折射率和CaF技術(shù)。最終在2001年5月，ASML成功收購(gòu)了SVG Lithography。2001年11月，SVG的Micrascan 248nm和193nm工具停產(chǎn)。美國(guó)最后一家主要的光刻公司落幕。

　　結(jié)語(yǔ)

　　美國(guó)在光刻技術(shù)上的衰敗，受到了來(lái)自日本尼康和佳能的阻擊，但誰(shuí)也沒(méi)想到，就是這么一個(gè)光刻機(jī)，ASML卻潛心專注研究了幾十年，如今無(wú)人能敵。