硅晶圓上的集成電路和電子元器件

光刻技術(shù)，正是半導(dǎo)體芯片得以出現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也仍然是今天芯片的核心制造工藝，光刻機更是被譽為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠。

在試圖探討我國如何實現(xiàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)突圍的當(dāng)下，光刻技術(shù)和光刻機始終是我們無法回避的技術(shù)隱痛，也是我們必須跨越的技術(shù)高峰。

不過，高端光刻機所涉及的技術(shù)種類之多、技術(shù)難度之高、產(chǎn)業(yè)鏈之復(fù)雜，遠(yuǎn)超外行人的想象。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)七十多年的進(jìn)程中，正是光刻技術(shù)的不斷改進(jìn)推動了芯片結(jié)構(gòu)的迭代升級，同時光刻技術(shù)以及相伴而生的光刻機、光源、光學(xué)元件、光刻膠等材料設(shè)備，也形成了極高的技術(shù)壁壘和錯綜復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)版圖。

我們首先將回到光刻技術(shù)誕生的歷史現(xiàn)場進(jìn)行還原，也會深入到光刻技術(shù)的演進(jìn)歷程，以及光刻機產(chǎn)業(yè)的競爭版圖中，讓我們獲得對于光刻技術(shù)的全局視野，從而也能更好理解當(dāng)下我們所處的半導(dǎo)體光刻機產(chǎn)業(yè)的競爭格局。

為硅晶體拍照，光刻技術(shù)的閃亮登場

從晶體管的發(fā)明到集成電路的出現(xiàn)，這中間還有一個巨大的跨越，那就是如何將大量的電子器件微型化，以集成在一小片電路上。完成這一跨越，全世界最聰明的電子工程師們又花了十年時間，這十年也成為電子技術(shù)史上面的第一個關(guān)鍵時期。

20世紀(jì)50年代，在芯片出現(xiàn)之前，電子器件的連接幾乎都要依賴手工完成。當(dāng)時美國海軍的一艘航空母艦有35萬個電子設(shè)備，需要上千萬個焊接點。這樣的工程量使得電子設(shè)備的生產(chǎn)效率嚴(yán)重低下，電路的成品率也完全依賴操作人員的熟練度和準(zhǔn)確度。

電子產(chǎn)業(yè)界都在呼喚微型化集成電路，也就是芯片的出現(xiàn)，而制作芯片的工藝正在貝爾實驗室中醞釀。

從1950年起，貝爾實驗室的幾位化學(xué)家陸續(xù)完成了鍺晶體和硅晶體的提純。到1995年初，亨利·索羅制造出了雜質(zhì)濃度小于千分之一的硅晶體。

與此同時，化學(xué)家卡爾文·富勒領(lǐng)導(dǎo)的小組研發(fā)出高溫下鍺晶體的雜質(zhì)擴散工藝，可以通過精準(zhǔn)地控制雜質(zhì)進(jìn)入鍺晶體的深度和數(shù)量，制造出PN結(jié)。1955年，富勒研究小組已經(jīng)把擴散技術(shù)應(yīng)用在硅晶體上面，通過擴散技術(shù)將兩種雜質(zhì)注入硅片上，形成NPN結(jié)構(gòu)。擴散技術(shù)至今仍然是晶體管制造的基礎(chǔ)。

貝爾實驗室以擴散技術(shù)制造的第一個硅基晶體三極管

同時在貝爾實驗室工作的卡爾·弗洛希和林肯·德里克為擴散技術(shù)提出了一種全新的方式，那就是在硅片表明生成一層氧化膜，在其上蝕刻出窗口圖形，從而使得雜質(zhì)只能從窗口擴散到硅襯底中，而覆蓋氧化膜的地方則被保護(hù)了起來。

在這些基礎(chǔ)工藝實現(xiàn)之后，光刻技術(shù)的出現(xiàn)也呼之欲出。1955年，貝爾實驗室的朱爾斯·安德魯斯和沃爾特·邦德開始合作，將于制造印刷電路的光刻技術(shù)用于硅片加工。其方法就是在二氧化硅的氧化膜上均勻涂抹一層“光致抗蝕劑”（也就是光刻膠），隨即通過光學(xué)掩模的方式將窗口圖形暴露在這一圖層上，形成精準(zhǔn)的窗口區(qū)域。然后再通過化學(xué)蝕刻將這一“窗口”形成，同時除去未曝光的“光致抗蝕劑”。最后再將所需雜質(zhì)通過這些“窗口”擴散到下面的硅襯底中，形成半導(dǎo)體器件所需要的P型和N型結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成更精準(zhǔn)、更復(fù)雜的半導(dǎo)體器件。

簡言之，光刻技術(shù)的實質(zhì)就是將芯片所需要的電子線路和功能區(qū)制造出來。光刻機將光源通過掩模，對涂了光刻膠的硅晶圓進(jìn)行曝光，曝光后的光刻膠發(fā)生變化，也就“復(fù)印”了掩模上面的圖形，最終也就使得晶圓上面產(chǎn)生了電子線路圖。

純化技術(shù)、擴散技術(shù)、氧化層掩膜技術(shù)以及光刻技術(shù)，這些制造工藝技術(shù)填平了從晶體管分立器件到集成電子線路的巨大鴻溝。

不久之后，德州儀器的基爾比和仙童半導(dǎo)體的諾伊斯，就將這些來自貝爾實驗室的半導(dǎo)體制造工藝應(yīng)用在了集成電路的制造上面，開啟了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的騰飛之路。

光刻技術(shù)的“摩爾定律”升級賽

有趣的是，光刻技術(shù)的發(fā)展還有一條支線。就在貝爾實驗室取得半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)展的同時，當(dāng)時為美國國防部研究固態(tài)電路微型化的兩位工程師杰伊.萊斯羅普和詹姆斯.納爾，早已在1952年開始使用光刻膠來制作鍺晶體管。1957年，兩人在貝爾實驗室研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推進(jìn)了光刻技術(shù)，制成了小型化的晶體管和陶瓷的混合電路，并創(chuàng)造了“光刻”（Photolithography）一詞。

萊斯羅普和納爾申請的光刻專利

1958年，仙童半導(dǎo)體的霍尼發(fā)明了平面工藝，解決了晶體管的絕緣和連線問題，同時拉斯特和諾伊斯造出了世界上第一臺光刻照相機，用于硅基晶體三極管的制造。1959年，仙童半導(dǎo)體研制世界第一個單結(jié)構(gòu)硅晶片。1963年，研制出CMOS制造工藝，成為今天IC產(chǎn)業(yè)的主流制造工藝。

六十年代初，光刻技術(shù)還非常初級，當(dāng)時掩模板是一比一貼在晶圓上，而晶圓的大小也只有1英寸。因為原理并不復(fù)雜，就如同照相一樣，半導(dǎo)體公司還能自己設(shè)計相關(guān)光刻工具和裝備，但很快專業(yè)的光刻機出現(xiàn)，隨即成為了芯片制造的關(guān)鍵設(shè)備之一。

也就在1965年，英特爾創(chuàng)始人，時任仙童半導(dǎo)體實驗室主任的戈登·摩爾通過觀察發(fā)現(xiàn)每代芯片幾乎都是前一代芯片容量的兩倍，以此提出了推動半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)升級的“摩爾定律”。當(dāng)時的版本是，集成電路芯片上可容納的元器件數(shù)目，在價格不變的基礎(chǔ)上每年翻一番。1975年，他又改為每兩年翻一番。

摩爾定律的推進(jìn)路線

而摩爾定律實現(xiàn)的關(guān)鍵正是光刻技術(shù)。隨著集成電路元器件尺寸不斷縮小，而芯片集成度和運算速度的不斷提高，對光刻技術(shù)的分辨率要求也越來越高。最終摩爾定律的實現(xiàn)正是同這一光學(xué)分辨率息息相關(guān)，而光學(xué)分辨率則是由一個瑞利公式?jīng)Q定：CD=K1*λ/NA

其中，CD為曝光關(guān)鍵尺寸，K1為工藝常數(shù)，λ為光波長，NA為投影物鏡的光學(xué)數(shù)值孔徑。CD值越低，代表分辨率越高，也就是，光刻技術(shù)只有每兩年把CD降低30%~50%，摩爾定律才能得以應(yīng)驗。

所以，提高光學(xué)分辨率的方法有三種，降低K1值，提高數(shù)值孔徑NA，降低波長λ。在現(xiàn)實的技術(shù)工藝中，K1值和NA值的改進(jìn)有限，而降低曝光光源的波長λ成為光刻技術(shù)持續(xù)推動的趨勢。

從六十年代開始，半導(dǎo)體曝光光源經(jīng)歷了可見光、八十年代的436納米、365納米近紫外波段的高壓汞燈光源，再到九十年代的248納米深紫外波段的準(zhǔn)分子KrF激光。一直到九十年代末的193納米ArF準(zhǔn)分子激光，也就是今天主流電腦主機芯片制造還在使用的DUV激光光源。

正是193納米波長，成為決定今天光刻機產(chǎn)業(yè)格局的分水嶺。

面對當(dāng)時如何突破193納米波長的難題，科學(xué)界和光刻機產(chǎn)業(yè)界都在尋求超越它的方案。當(dāng)時美國的SVG、日本的尼康，基于前一代的干式光刻法，選擇了看起來更穩(wěn)妥的157納米的F2激光，美國能源部和英特爾發(fā)起，聯(lián)合摩托羅拉、AMD等組建了EUV LLC，主攻過于超前的13.5納米的EUV極紫外光光源，此外還有更小眾的EPL、離子光刻等。不過當(dāng)時這些嘗試都失敗了。

有趣的是，來自臺積電的工程師林本堅，在2002年提出了一種基于193納米波長，但改變干式光刻為浸潤式光刻工藝，也就是在光刻膠上方加上一層薄薄的水，來把193納米波長折射成134納米，一下子突破了157納米的難關(guān)。此后浸潤式光刻技術(shù)經(jīng)過多次的工藝改進(jìn)，更是做到了22納米制程。

ASML的第一臺浸潤式光刻機

而最早選擇浸潤式光刻技術(shù)的，就是那個“天選之子”一般的ASML。最終，在ASML和臺積電的通力合作下，率先將193納米浸潤式光刻機生產(chǎn)出來，也正是這一領(lǐng)先尼康三年的新產(chǎn)品，讓ASML徹底贏得了光刻機絕大部分的市場份額。而潰敗的尼康再也沒能拿出更好的光刻機，而只能停留在中低端市場當(dāng)中。

在此之后，光刻機的高端賽道上只剩下ASML和獨步天下的EUV光刻機。而這一段需要我們另辟專題專門去分析。

在光刻技術(shù)的數(shù)十年演進(jìn)過程中，我們其實也能隱約看到一條光刻機產(chǎn)業(yè)的變遷路徑。

光刻機產(chǎn)業(yè)殘酷淘汰賽

毋庸置疑，半導(dǎo)體晶體管以及光刻技術(shù)的發(fā)端肇始于貝爾實驗室。那么，在專利制度如此完善的美國，為什么貝爾實驗室及其背后的AT&T沒有成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)軍者，而是在短時間內(nèi)有眾多的美國半導(dǎo)體企業(yè)迅速崛起？

這場技術(shù)革命之所以很快傳遍整個產(chǎn)業(yè)界，源于當(dāng)時AT&T面臨反壟斷的壓力，不得不向美國政府表態(tài)，將半導(dǎo)體技術(shù)公之于眾。1956年，貝爾實驗室第三次召開半導(dǎo)體晶體管技術(shù)分享會，正式公布了光刻、擴散技術(shù)和氧化層掩膜技術(shù)，連同早在1952年就出售的晶體管生產(chǎn)技術(shù)，直接壯大了德州儀器、IBM、摩托羅拉、索尼等公司的半導(dǎo)體技術(shù)，也間接催生了仙童、英特爾、AMD等后來的半導(dǎo)體巨頭。

而光刻技術(shù)的公布和擴散更是引發(fā)了持續(xù)至今的光刻機產(chǎn)業(yè)的革新和版圖遷移。

最先受益的自然是美國企業(yè)。1961年，美國GCA醫(yī)療技術(shù)公司造出了第一臺光刻機。七十年代，美國Kasper儀器公司、Perkin Elmer公司先后推出對齊式、投影式光刻產(chǎn)品，占領(lǐng)了市場先機。1978年，GCA又推出了真正意義上第一臺自動化步進(jìn)式光刻機Stepper，分辨率可以達(dá)到1微米，逐漸占據(jù)了市場主導(dǎo)地位。

1980年，尼康推出步進(jìn)式光刻機NSR-1010G

由于當(dāng)時光刻技術(shù)門檻相對不高，六十年代末，日本的尼康和佳能因為產(chǎn)業(yè)相近，也開始涉足光刻機產(chǎn)業(yè)。到了八十年代，尼康發(fā)售了自己首臺商用步進(jìn)式光刻機NSR-1010G，擁有更先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)和自研的鏡頭，開始從GCA手里奪下了IBM、英特爾、AMD等一系列大客戶。

直到1984年，尼康已經(jīng)可以和GCA平起平坐，各自占據(jù)30%的市場份額。Ultratech、Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家瓜分剩下的40%。

圖中的簡易木板房就是ASML最初的辦公地點

而這一年，未來光刻機產(chǎn)業(yè)的霸主ASML（先進(jìn)半導(dǎo)體材料光刻公司），在荷蘭飛利浦公司和一家名叫ASMI的小公司合作下成立。成立之初，ASML只有31名員工，并且只能在飛利浦大樓外的簡易木房里辦公。ASML的崛起還有一段時間，八十年代是日本半導(dǎo)體和光刻機產(chǎn)業(yè)的“光輝歲月”。

隨著1986年半導(dǎo)體市場大滑坡，GAC的新產(chǎn)品開發(fā)停滯，隨即被收購，再之后因無人接手而關(guān)門。Ultratech 在被管理層收購后停滯不前，P&E的光刻機部門也在1990年被賣給了SVG。八十年代末，美國的光刻機三巨頭隕落，而日本的尼康、佳能占據(jù)了絕大部分市場份額，剛剛起步的ASML也只拿到10%的市場份額。

而到了90年代，就是尼康和ASML雙雄競爭的時代，不過因為世紀(jì)之初的那一場技術(shù)路線之爭，尼康落敗，ASML一騎絕塵，一直到今天其光刻機產(chǎn)業(yè)霸主的地位仍然牢不可破。

總體來看，在光刻技術(shù)發(fā)展的六十年時間里，光刻機企業(yè)走馬燈似的快速淘汰和轉(zhuǎn)移，其實背后有一個非?，F(xiàn)實的矛盾。就是光刻機作為芯片制造的上游產(chǎn)業(yè)，銷售市場非常狹窄，銷量也十分有限，當(dāng)時一家的年銷量也不過幾十臺，但是光刻機又是一個需要巨額資金持續(xù)投入研發(fā)、持續(xù)更新迭代的高精尖技術(shù)，而且隨著芯片制程越小，技術(shù)難度又呈現(xiàn)指數(shù)級增加。

因此，一旦一家企業(yè)出現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)停滯或斷檔，領(lǐng)先一步的企業(yè)就會拿走少數(shù)幾家半導(dǎo)體廠商的絕大多數(shù)訂單，而落后的企業(yè)也因失去關(guān)鍵營收而無力進(jìn)行光刻機新品的研發(fā)和生產(chǎn)，也就失去贏得競爭的機會。

簡單來說，光刻機產(chǎn)業(yè)的邏輯就是贏者通吃，尼康的敗局就是前車之鑒。

我國光刻機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與可能

回到我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)突圍的問題上來，最核心的一項任務(wù)就是實現(xiàn)高端光刻機，特別是EUV光刻機的國產(chǎn)化。

不過，當(dāng)我們了解了光刻技術(shù)的演變和光刻機產(chǎn)業(yè)遷移過程之后，可能會更冷靜地面對當(dāng)前無比艱難的競爭格局。

首先，我國在入局光刻機產(chǎn)業(yè)的時間并不短，但是我們在核心技術(shù)和專利上的積累仍然嚴(yán)重不足。專利技術(shù)受制于人成為卡住我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)咽喉的巨大隱痛。

全球光刻機專利主要申請的公司

一直以來，日本的尼康、東京電子、佳能都是光刻機專利的申請大戶。90年代之后，ASML的光刻機專利數(shù)也大幅增加，并且在日本也布局了大量專利。此外在中國臺灣、美國和韓國也有較多的專利布局。相比之下，我國的光刻機相關(guān)專利申請比例仍然很低，且近幾年也并未有增加的趨勢?；A(chǔ)技術(shù)壟斷、技術(shù)研發(fā)門檻高，可能成為我國光刻機行業(yè)難以突破的一大因素。

芯片中場效應(yīng)管的架構(gòu)發(fā)展

其次，就在我們意識到要推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)自主化的時候，芯片制造的摩爾定律已經(jīng)在逼近極限，其中一大限制因素正是光刻工藝制程已經(jīng)接近理論極限。當(dāng)芯片制程工藝向5納米以下演進(jìn)時，如何打破物理的、材料的極限，成為擺在光刻機和半導(dǎo)體制造企業(yè)面前的現(xiàn)實難題。

另外，為應(yīng)對日益高昂的芯片制造成本，芯片行業(yè)采取的方式就是企業(yè)間的并購重組，到目前最先進(jìn)的芯片生產(chǎn)線只屬于英特爾、臺積電、三星和格羅方德等少數(shù)幾家芯片制造巨頭，他們與原材料和像ASML等設(shè)備商構(gòu)成一個“你中有我，我中有你”的壟斷格局。

對于我們國內(nèi)的光刻機產(chǎn)業(yè)來說，既面臨壁壘森嚴(yán)的技術(shù)專利封鎖，又直接遭遇接近技術(shù)演進(jìn)極限的產(chǎn)業(yè)階段，還要面對處于完全壟斷地位的ASML的壓倒性優(yōu)勢，我們此時發(fā)起的技術(shù)挑戰(zhàn)，真的注定是一場無比艱難的極限挑戰(zhàn)。

對于關(guān)心半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)突圍的大眾而言，恐怕更加不能心急，期望我國的光刻機技術(shù)在短短幾年內(nèi)就能追趕甚至超過國外巨頭。我們更應(yīng)該冷靜地認(rèn)清一個現(xiàn)實，光刻機作為芯片制造中最精密、最復(fù)雜、難度最大、價格最昂貴的設(shè)備，早已不再是一個國家或者少數(shù)幾家企業(yè)可以完成的工程了。

想要研制出最先進(jìn)的光刻機設(shè)備，必須與全球頂級的光源、光學(xué)、材料以及關(guān)鍵零部件等廠商進(jìn)行合作。即使在美國試圖封禁我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的艱難環(huán)境下，我們也不能放棄與國外這些先進(jìn)技術(shù)企業(yè)交流、合作的機會。

武漢光電國家研究中心研制的“9納米光刻機”

當(dāng)然，除了依靠商業(yè)合作之外，更重要的是我國的半導(dǎo)體企業(yè)要努力實現(xiàn)在某些技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)突破，只有在掌握“人無我有”的前端技術(shù)的情況下，我們才有足夠的話語權(quán)來與這些高手過招，也才有可能加入到高端光刻機制造的產(chǎn)業(yè)分工當(dāng)中。

當(dāng)然，令人欣喜的一方面是，我國對光刻機技術(shù)的自主化有了真正的意識和推動，我國的光刻機產(chǎn)業(yè)正在實現(xiàn)技術(shù)突破。后面我們將對此有更加詳盡的探討。