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知识分子The Intellectual

EUV光刻机,可能是迄今为止人类科技领域所能达到的最尖端的技术成果 | 图源:asml.com

编者按

在7月6日举行的外交部例行记者会上,彭博社记者再次提到美国要求荷兰公司阿斯麦(ASML)不要将最先进的光刻机出口给中国的问题。而在最近的2022 SPIE高级光刻会议上,阿斯麦介绍,其新款EUV光刻机正在研发当中,未来2纳米的芯片当不在话下。台积电今年6月中旬也宣布了其2纳米制造技术,计划在2025年投入生产。对于这些最先进的芯片制造技术,中国芯片制造公司无缘得到。本文通过回顾历史,希望读者能从中体会到光刻机的研发过程可说是 “冰冻三尺,非一日之寒”。

撰文|陈启责编|邸利会

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芯片变成 “白菜价”

图1 PE 100团队 | 图源:chiphistory.org

1967年,美国军方联系了老牌光学设备厂商 Perkin Elmer,希望能做出精度更高的新式光刻机。Perkin Elmer 是大名鼎鼎的哈勃太空望远镜的镜片制造商。

1960年代可以认为是光刻机的上古时期。这些光刻机统称为掩膜对准仪(Mask Aligner),没有复杂的光学投影系统。

当时的光刻机有两种,接触式与渐进式。

接触式光刻机把光掩膜板盖在涂有光刻胶的硅片上,打开光源,“咔嚓” 一下,完成曝光。显然,这个方法有个问题,光刻胶很容易污染掩膜板,且随着曝光次数增加,掩膜非常容易损坏,因此失败率很高,芯片良率奇低,成本昂贵。

而渐进式光刻机,光掩膜板不和硅片直接接触,在光刻机里加入量测工具,让两者尽可能接近。但随之而来的问题是,光有衍射效应,投影时边缘变模糊,造成精度下降,有较大的投影误差。

因为良率太低,一片4英寸硅片压根生产不了几颗芯片,所以当年的芯片极其昂贵,连财大气粗的美国军方都用不起。要降低成本,需要技术的革新。

1974年,在经过数年研发后,Perkins Elmer 推出了划时代的光刻机:Micralign 100。光刻进入了投影式时代。

Micralign 100并不复杂,是一种反射式的投影系统,利用两片同轴的球面反射镜,把掩膜板上的图形,经过三次反射,投射在硅片上。这种对称的球面镜,可以消除产生的大部分像差,达到理想的分辨率。

Micralign的诞生大大提高了光刻工艺的良率,从接触式光刻技术的约10%提高到了70%。良率大幅提高,芯片价格应声大跌,一年前摩托罗拉的处理器6800卖295美金,一年后MOS科技的处理器6502仅卖25美金的白菜价。便宜的芯片促使微型电脑如雨后春笋般出现。

尽管售价是渐进式光刻机的三倍,但实打实的良率提高,最终能生产的芯片更多,让所有采购Micralign 100的客户赚得盆满钵满。英特尔、德仪等公司的订单,雪花一样飞来。

进入半导体设备领域短短不到三年时间,Perkins Elmer 成了当时最大的半导体设备公司。

然而好景不长,Perkins Elmer 的基于1:1纯反射式的光刻机缺点越来越明显,反射镜无法完全消除球面像差,图像分辨率也太低,无法进一步满足缩小的工艺。基于透镜组的步进式光刻机(stepper),开始崭露头角,光刻技术进入缩放投影时代。

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GCA的高光时刻

1978年,GCA公司推出了首款步进式光刻机DSW 4800,并迅速占领了70%的市场。

步进式光刻机采用缩放投影的方式,把掩膜板的图形,缩小到原来的1/4到1/5再投射到硅片表面,大大提高了曝光强度和分辨率上限,让光刻精度进入微米级。缩放投影,不需要掩膜板和晶体管线宽一致,对掩膜板要求也降低,简化了掩膜板的制作要求,降低了成本。

1970年代初,GCA把镜头供应商换成尼康,但为了获得所需的远心式镜头,GCA又抛弃了尼康,转头和德国蔡司合作。原因是他们嫌日本的镜头精度不佳,光刻像差受焦距的影响太大。

除了物镜系统,GCA还需要一样新东西——自动化硅片工件台(stage)。步进式光刻机的曝光区不再是整个硅片,而是其中的一小块面积,所以光刻要化整为零,每曝光一次,硅片就必须移动到下一个区域再曝光一次,一步步推进,直到整个硅片完成全部曝光工作。

如此,工件台的定位精度影响对准精度,运动的速度决定了光刻机每小时的硅片曝光量,无故障稳定运行的时间决定了光刻机的整体效率,光刻机的精度和效率全靠工件台的技术水平。

DSW 4800便是首台搭载自动化硅片工件台的步进式光刻机。

图2 GCA的步进式光刻机DSW 4800 | 图源:chiphistory.org

这台光刻机使用436纳米的G线光源和10:1的缩光掩膜板。尽管光刻速度不快,50万美元的价格也远远高于Micralign 9.8万美元的价格,但在稳定性,分辨率,数值孔径,及套刻精度方面具有压倒性的优势,让其一诞生就获得了包括IBM、仙童、德仪等大厂客户们的青睐。

尽管这一年 Perkins Elmer 也推出了Micralign 500型号,一小时能曝光100片硅片,把速度的优势发挥到了极致,但是行业正按照摩尔定律的 “剧本” 演化,晶体管的尺寸不断微缩,光刻的精度越来越重要,Micralign已经完全跟不上。

紧接着,日本双雄尼康和佳能也开始发力。但 Perkins Elmer 对这一切熟视无睹,继续沉迷在过去的成功中,既没有认真听取客户意见,又没有投入资源进行下一代光刻机的研发,故步自封。

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丢失市场后,Perkins Elmer 终于醒悟,但为时已晚,之后孤注一掷研发更先进的EUV,结果功败垂成。再之后,Perkins Elmer 的半导体光刻机事业部卖给了SVG(Silicon Valley Group),SVG 在2001年又被阿斯麦以16亿美金收购,40年前的光刻老大委身于现在的老大。而阿斯麦最先进的EUV光刻机,又回到了反射镜,科技就是这么 “螺旋式” 上升的。

尽管 Perkins Elmer 在后续竞争中失败,但不可否认其贡献。正因为Micralign 100光刻机大幅提高了芯片制造的良率,才让芯片价格下降,更多的电子产品进入寻常百姓家。

第一次的光刻机大战,GCA笑到了最后。期间,美国几个厂家你追我赶,体现出在这一时期,美国在光刻领域强大的科技实力和创新力。

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日本逆袭

图3 1980年2月,NSR-1010G问世 | 图源:nikon.com

正当两家美国厂商打的火热的时候,1982年,在IBM和德仪的工厂里,出现了一台来自日本的光刻机。不管是光学系统,还是硅片工件台,看上去都和GCA的步进式光刻机相差无几,这就是尼康当年推出的NSR-1010G。

这家做镜头配件的日本厂商,为什么能在短短几年内,打破GCA的技术垄断,研发出自己的步进式光刻机?故事要从1976年说起。

1976年,日本的通信产业省,开启了超大规模集成电路计划,简称VLSI项目。这是一个举日本全国之力推动电子产业升级的规划,政府每年投入180亿日元,组织了包括东芝、日立、富士通、三菱电机和日本电气在内最大的五家半导体厂家,形成技术联盟,要求这些竞争对手放下隔阂,携手合作,集中力量办大事。

在四年规划中,日本选择了几个重点突破的技术路线,光刻技术和设备就是其中之一。作为老牌光学厂商的尼康和佳能,虽然明面上没有加入该项目,却也在通产省组织的合作框架下,开始了各自的光刻机研发任务。

佳能此前主要做相机镜头,在精密测量部分尚有欠缺,因此仿制的是门槛较低的Micralign对准仪。

而尼康的前身是成立于1917年的日本光学株式会社,在镜片制造和精密测量技术方面有相当深厚的技术功底,既能做高分辨率的相机镜头,又能做天文望远镜,甚至为战列舰提供军工级的光学测距仪。GCA用过一段时间的尼康镜片,让尼康得以了解半导体光学的最新技术。

尽管自身的技术积累不俗,但尼康要想实现从无到有,也并非易事。好在还有友军的全力支持,日本电气把买到的GCA光刻机,偷偷交给尼康拆解分析研究,结果拆了之后装不回去。由于这台光刻机极其宝贵,日本电气只能厚着脸皮找GCA报修,结果被GCA工程师发现机器被人拆开过,场面一度十分尴尬。

尴尬归尴尬,尼康还是从拆解GCA光刻机中学到了很多宝贵的知识,在1980年推出了自己的首台步进式光刻机。

初代尼康光刻机有不少问题,但是日本电气和东芝还是很支持,买下后双方技术人员通力合作,及时反馈了很多实际工作过程中的问题,帮助尼康迅速更新和迭代技术,使得尼康光刻机水平迅速提高。

1982年,尼康成功地把机器卖到了美国IBM和德仪。美国人惊讶的发现,尼康的 “山寨” 光刻机居然有不输GCA的性能,尤其是镜头稳定性和自动化程度更在GCA之上,更重要的是日本的服务态度,绝非傲慢的美系厂商可以比。

正当尼康一路高歌猛进之时,GCA的产能问题却迟迟没有改善,原因是其镜头供应商蔡司当时正处于低谷,镜头频频出现质量问题,还延迟交货。此消彼长之后,其他厂商逐渐失去了对GCA的耐心。

2年后的1984年,尼康的出货量基本和GCA打平,甚至还先于GCA推出升级光源后的I线365纳米光刻机NSR-1010i3型,广受客户好评。同年,另外一家日本光刻机厂商佳能,也推出了自己的首款步进式光刻机FPA-1500FA。

1985年,尼康正式超过GCA,成为业界第一大光刻机供应商。这一年,GCA大亏1.45亿美金,次年放弃低端机型,断臂求生,把全部身价压在高端机上,但其资金链断裂,已经无法支撑后续研发,蔡司的退出合作也给了GCA致命一击。

1988年,走投无路的GCA年出售给 General Signal。过了几年GCA找不到买主被关闭,当年美系光刻机龙头就此消亡。

1980年代初还占据大半壁江山的美系三雄,到80年代末已经摇摇欲坠,处在崩溃边缘,而日本光刻机双雄尼康和佳能则强势崛起,替代美系厂商,占据了超过70%的市场份额。

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为何美国失败?

为什么十年不到时间,风光一时的美系厂商会被日系厂商反超?我们也许可以总结些经验教训。

首先,日本两家公司在光学设备以及精密机械上拥有极其深厚的功底,这是研发光刻机的前置技能,也是日本能快速追上美国的前提。

二是日本集中力量办大事,给予了极优厚的政策和丰厚的资金。VLSI项目出钱,聘人,成立联合实验室,实现上下游厂商的的通力协作,共同进步。而美国芯片厂则不愿意和GCA分享信息,生怕泄露技术细节,这导致GCA一直蒙在鼓里,不知道客户的真实情况已经到什么地步。

三是日本厂商垂直整合度更高。尼康和佳能不管是镜头还是平台,还是自动化技术,全都是自己家的技术,从源头解决需求,研发沟通更迅速,技术迭代更精准,生产成本更低廉。而GCA完全依赖蔡司的镜头,一旦蔡司品控和沟通有问题,会造成灾难性后果。确实,蔡司有段时间陷入困境,问题一大堆。阿斯麦和蔡司的早期合作中也出现过问题,差点把阿斯麦也拖下水,幸亏阿斯麦对蔡司进行了彻底改造。

四是美国厂商的守旧与傲慢。Perkins Elmer故步自封,GCA目空一切,当客户反馈尼康和佳能的设备性能更好的时候,管理层只是甩锅给销售团队,而不是反思自己设备为什么不如竞品。

五是日本厂商有着更好的经营理念和服务支持。GCA在亚洲的服务团队,都是外派的美国人,根本无法融入当地客户。而尼康则非常重视客户需求,在1982年第一台设备交付美国客户的时候,就开始雇佣当地工程师建立硅谷服务中心。

六是70年代末半导体产业的发展前期,各种光刻技术路线层出不穷,光刻机还处于草莽时代,日本可以用高效和低成本的打法反超美系竞争对手。

七是在当时的经济大背景下,美国处于石油危机所引发的经济衰退中。GDP下降,失业率上升,美联储不得不实行货币紧缩政策,而日本经济则处于景气周期中,尤其是半导体产业。

1980年代的日系厂商,不仅在光刻机领域把美系厂商按在地上摩擦,在内存等其他芯片市场也攻城略地,打得美国芯片公司节节败退。那些年无论德仪,还是仙童,还是AMD都是泥菩萨过江自身难保,英特尔甚至因为退出内存市场被迫裁员2000多人。

但好景不长。1985年,美国逼迫日本签署《广场协议》。紧接着,1986年9月《美日半导体协议》出台,对日本芯片强制征收100%的惩罚性关税,同时美国又扶持中国台湾和韩国的公司。

尽管日系公司还能依靠之前的技术积累继续保持市场份额,但两个协议一出,自此日本芯片产业盛极而衰,在美国的政策大刀下被迫退守,在行业景气周期还能吃肉,一旦出现经济下滑遇到行业冷周期,日系厂商就会死伤无数。

在台湾台积电代工以及韩国内存的进攻下,日系企业在内存以及先进数字芯片制造方面节节败退。

2012年,日系内存最后的独苗尔必达公司被美光以25亿美金的白菜价收购。2017年东芝存储也因为东芝集团自身的财务问题,最终被美系资本收购控股后改名铠侠,曾经辉煌一时的日系存储消失殆尽。

在光刻机上的技术优势,日本一直维持了近20年,直到当年那个不起眼的欧洲小公司,羽翼丰满,接连发起 “浸没式系统” “TWINSCAN系统” “EUV光源” 三大技术战役,最终将日系厂商斩于马下,登上王座。

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平房里诞生的巨头

图4 1984年,成立之初的阿斯麦 | 图源:youtube.com

1980年代初,自身财务状况不佳的飞利浦思来想去最后决定关停自己的光刻机项目,于是去美国找Perkins Elmer、GCA、Cobilt、IBM等公司谈了一圈,但是没人愿意合作。

1984年4月1日,飞利浦终于联合芯片机器制造商 Advanced Semiconductor Materials International(ASMI)成立一家新公司阿斯麦,就在荷兰埃因霍温飞利浦办公室附近的漏雨厂棚里。凭着1970年代开始研发的一些技术积累,阿斯麦同年发布了第一台光刻机PAS 2000。

新公司建立之初,虽然顶着飞利浦Natlab的光环,可在当时,阿斯麦的光刻机无人问津。唯一买过几台的还是Elcoma,它是飞利浦半导体和材料事业部,算自己人照顾一下,但是因为使用油压导致问题太多,大部分时候只能闲置在一旁。

1986 年,采用新的对齐技术的 PAS2500 步进机推向市场。同年,阿斯麦与镜头制造商 Carl Zeiss 建立了合作伙伴关系。

之后,阿斯麦挺进亚洲市场,1987年台积电诞生,为台湾工研院和飞利浦的合资公司。

但面对激烈的竞争,阿斯麦的客户很少。更糟的是,股东ASMI无法维持高额投资,回报微乎其微,决定退出,老东家飞利浦也宣布了大规模的削减成本计划。在命悬一线之际,阿斯麦高管联系了飞利浦董事会成员Henk Bodt,后者说服他的同事伸出援助之手。

很快,阿斯麦推出了PAS 5500。凭借其行业领先的生产力和分辨率,PAS5500实现了盈利。1995 年,阿斯麦在阿姆斯特丹和纽约证券交易所上市,成为一家完全独立的上市公司。

1995年2月,第一台PAS 5500到达三星的工厂里,那时三星已经是最大的内存制造商。三星用PAS 5500开发了一项0.25微米工艺用于生产16Mb内存颗粒。随后几年,韩国人完全信任荷兰人的步进式光刻机。

PAS 5500非常优秀,当时除了日本和美国市场外阿斯麦势如破竹,但是由于客户的惯性,英特尔、IBM们依然更多选择了尼康的光刻机,阿斯麦当初雄心壮志是否还有机会实现?

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挑战尼康

时间来到1990年代末,随着摩尔定律的继续演进,工艺开始从130nm进入90nm,晶圆尺寸也从8英寸升级到12英寸。与此同时,光刻机的波长也从248nm进入到193nm,但没想到的是,产业在193nm波长上,一卡卡了近20年。

直到2002年7月,在比利时布鲁塞尔举行的157nm微影技术研讨会上,台积电的林本坚做 “浸润原理” 的专题演讲,他说, “不得了,我找到了134nm波长的光波”。

图5 发明浸没式方案的林本坚博士 | 图源:林本坚

所谓 “浸润原理” 就是在晶圆光刻胶上方加一层水,水的介质折射率是1.44,因此193nm/1.44≈134nm。因此在不改变光刻机波长情况下,使得193nm的波长能等效出134nm的波长!

尼康一直在光源上做文章,专注于如何缩小波长。此时的尼康宣布自己的 157nm产品及EPL产品样机完成,但测试后实际情况不尽人意。

2004年12月,日本半导体展SEMICON Japan开幕,阿斯麦正式推出浸没式光刻机的原型机,并证明浸没式光刻机方案具备可行性。

2006年,阿斯麦的XT 1400i进入英特尔并顺利通过40nm工艺的验证,一年后英特尔下了大订单,其余厂商纷纷效仿,购买阿斯麦更成熟的产品。在光刻领域2000年还是老大的尼康,到了2009年被阿斯麦反超,市场占有率只剩不到3成,而阿斯麦的市占率则近7成。

尼康的干式157nm败给了阿斯麦的193nm加浸没式的方案。你或许会问,尼康当年为什么不赶紧换个赛道,切到浸没式光刻机的路线上?

原因是当时阿斯麦193nm最后一片镜片是平的,可以无缝对接浸没式系统,而尼康则是曲面镜片,必须重新设计整个物镜系统,这至少要花费2年的时间。

哪怕尼康当时也能拿出类似的浸没式光刻机也未必能翻盘。新设备总是需要用几年时间多家厂商通力磨合,别人比你早量产,就比你多了时间去改善问题和提高良率,这让后者更加难以超越,一步落后,步步落后。

193nm浸入式光刻成功翻越了157nm大关,直接把工艺带到40nm以下。加上后来不断改进的高NA镜头、多重曝光技术、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术,193nm浸没式光刻机一直做到今天的7nm,台积电第一版N7工艺就是采用193nm浸没式光刻机。

尼康兵败157nm,失掉了第一次机会。

2020年,阿斯麦出货了史上第一套干式NXT系统。这是第一套能够每小时处理超过300片晶圆的光刻系统——而这得益于该系统上的最新的TWINSCAN平台技术。

TWINSCAN,双扫描工件台,是阿斯麦保持竞争力的最大秘诀之一。

早在1990年代初,当PAS 5500出货的时候,精密器械和干涉仪专家 Bert van der Pasch 教授,也正在进行干涉仪系统和晶圆传送模组的研究,随后他加入阿斯麦成为光刻扫描仪位置测量系统的专家。

Bert带领团队持续创新让PAS 5500一直处于领先地位,提供了当时行业领先的生产力和分辨率。随着新时代到来,阿斯麦意识到,需要一个革命性的创新,助力尤其是台积电这样对高产能有强烈需求的客户,实现下一个阶段的飞跃。

回顾起来,解决方案其实很简单。图案在曝光到晶圆前,必须对晶圆进行精准量测。量测和曝光都需要时间,为了减少每个过程需要的时间,为什么不在曝光一个晶圆的同时,对后一个晶圆开始进行量测和对准工作呢?就这样,TWINSCAN系统诞生了。

TWINSCAN是第一个具有双晶圆工作平台的光刻系统。晶圆被交替地装载到平台上,当一个晶圆曝光时,另一个晶圆装到二号平台进行对准和测量,然后两个平台交换位置,原来在二号平台的晶圆进行曝光,而一号平台的晶圆完成卸载。然后,新的晶圆被装载,进行对准和测量工作。

这种量测对准和曝光同时进行的并行方案极大提高光刻机单位小时内的产能。2001年,首个采用这种革命性技术的光刻机出货——TWINSCAN AT:750T型光刻机。

之后,TWINSCAN系统跨越阿斯麦各个平台型号的光刻机,扩大了技术范围,让所有芯片层都能在新平台上曝光。

阿斯麦依靠TWINCAN系统与浸没式系统形成双剑合璧,让尼康彻底败下阵来。时至今日,受制于专利和技术的尼康依然在苦苦追寻更好的能对标TWINSCAN的方案。他们曾选择用外挂部件的方案,但效果不尽人意,依然迈不过这个门槛。

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迈进EUV

光刻技术的下一步轮到了EUV。从上世纪80年代开始研发,时至今日EUV终于成熟。如果世界没有EUV会怎么样?也许就永远卡在7nm工艺了。

EUV也就是极紫外光,在电磁波谱中,极紫外光是紫外区能量最高的部分,它的波长范围为100纳米到10纳米,低于深紫外光,再往下就是 10nm的X射线了,属于电离辐射区。

EUV光刻机,可能是迄今为止人类科技领域所能达到的最尖端的技术成果。

现在阿斯麦的NXE系列的EUV光刻机一台要卖到一亿多美金,高NA版本的EXE 5000系列已经要卖3~4亿美金一台。

在EUV的研发历史上,90年代EUV LLC联盟的诞生十分重要。

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1997 年,英特尔看到跨越193nm的巨大难度,决心集全人类精英一起愚公移山。他们说服了美国对高科技最开明的克林顿内阁,以公司形式发起了EUV LLC 这样的合作组织。

这个组织由英特尔和美国能源部牵头,集合了当时还如日中天的摩托罗拉以及 AMD,以及享有盛誉的美国三大国家实验室:劳伦斯利弗莫尔实验室,劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚国家实验室,投资两亿美元,从理论上验证 EUV 可能存在的技术问题。

英特尔还力邀阿斯麦和尼康加入EUV LLC,因为当时美国光刻设备公司基本已经凋零。但此举受到美国政府的阻挠,因为他们舍不得让外国公司分享美国最前沿技术,认为不能有 “外人”。

此时阿斯麦展示出了惊人的技术前瞻性,一定要挤进EUV LLC,虽然这个组织的目标是为了论证EUV技术的可行性,而不是量产。阿斯麦强力游说,开出了很难拒绝的条件——由阿斯麦出资在美国建工厂和研发中心,并保证55%的原材料都从美国采购。

最终结果是尼康被排除在外,更为开放的阿斯麦做了一堆对美国贡献的许诺后被允许加入。另外一家例外的非美国公司是当时还是内存霸主的英飞凌,它被允许和美光一起加入EUV LLC。

从1997年到2003年,6 年间EUV LLC的科学家发表了几百篇论文,验证了 EUV光刻机的可行性。理论验证完成后,EUV LLC联盟宣布解散。接下来实际问题都抛给了行业。

为了研发EUV系统,阿斯麦前前后后在将近20年时间内投入上百亿美金的研发费用。其实,阿斯麦完全可以继续躺在DUV光刻机上赚钱,但荷兰人依然保持初衷,拒绝躺平,选择再次向技术巅峰发起冲击。

EUV光有个最大的问题是无法穿过任何物体,包括空气。所以机器内部得抽成高真空状态,为此当年阿斯麦和蔡司花了巨资共同建立了一座全球最大的真空腔体实验室,来模拟真空环境下遇到的各种问题。

此外,对EUV光刻机而言,如何产生光源以及控制光路前进的镜头部分也是两大挑战。

13.5nm的EUV光无法穿过透镜,因此物镜系统变成了反射镜片。而现实世界中没有任何材料可以在单层中反射大部分EUV 光,因此蔡司设计了一种由钼(部分反射EUV光)和硅(对EUV大部分透明)交替组成纳米层的反射镜,用来反射并控制EUV光路。

这些反射镜片的制造工艺相当复杂,不同材料用镀膜工艺一层层叠起来,多达数十层。其表面需要几乎完美光滑和干净,每个纳米层都需要具有精确定义的厚度,其表面误差在0.01nm以内,相当于北京到上海做根铁轨,起伏不超过 1 毫米。

2006年,阿斯麦实验室里出现了EUV的原型机,四年后的2010年,在阿斯麦手中诞生的人类第一台EUV工程样机:NXE 3100。

图6 EUV光刻 | 图源:asml.com

第一台试验型EUV光刻机设计了13片反射镜,随后减少了到9片,由于每次反射有损耗,9次反射后剩余能量只有可怜的1.007%。9片反射镜已经是极限,没法再少了,再少分辨率就不行了。

所以第一台验证机NXE 3100只能做到每小时曝光30片,这当然是无法满足客户要求。想要增加产能,就必须增大光源功率。

当时阿斯麦的光源供应商是美国公司Cymer。在研发EUV光源的时候Cymer压根就觉得,这是一项不可能完成的任务,比较敷衍,最开始光源只有30W功率,一小时根本曝光不了几片晶圆,弄了几年还是原地踏步。

看不下去Cymer磨洋工后,2012年阿斯麦以26亿美金收购了Cymer,让Cymer成为阿斯麦的子公司。花了无数心血后,最终把光源功率从30W硬是弄到250W,就这样产能提高到了每小时125片,勉强能达到商用标准。

EUV光源产生方式不同于此前的准分子激光器。为了产生波长13.5nm超短波长的光,科学家们想了一个办法:用波长为9.2-10.8微米的二氧化碳激光器去连续轰击从空中掉落的金属锡液滴,这个锡滴直径只有不到13微米,锡滴受激汽化后就能产生所需的13.5nm的光。

第一次脉冲轰击把锡滴压平变成饼状,受光面积变大;第二次轰击饼状的锡滴将其汽化,两次高能激光脉冲可将该锡滴瞬间加热至50000K,从而使锡原子加至高能态,并回归至基态释放出13.5nm的紫外光子。

为了保证光的持续性和强度,这个锡滴从喷射被喷出的频率是每秒5万滴,因为是分两次轰击,因此等于一秒内精确打中锡滴十万次,分毫不差。

在解决一系列难题后,EUV光刻机终于被小心翼翼地搬入各大晶圆工厂,开始为芯片制造工序中最核心的光刻工艺工作,于是有了现在的7nm、5nm芯片。甚至未来的3nm,2nm,1nm,也将由EUV光刻机来生产。

阿斯麦在EUV上的成功,也彻底断了尼康的一切念想。在光刻机市场,阿斯麦占到90%以上,尼康在角落里苟延残喘,佳能早就不玩高端光刻机了,只在更低端的领域混口饭吃。

不过,尼康虽然在光刻机市场竞争中目前败于阿斯麦,但仍然是光刻机界的主要玩家,且尼康的其它产品非常多,也很成功。

这20多年时间内,依靠 “TWINSCAN系统” “浸没式系统” “EUV系统” 三大战役,阿斯麦彻底把昔日的巨头尼康踩在了脚下。当年那个平房里不起眼的小公司,成了今天的绝对霸主。

(本文得到中国科学院微电子研究所研究员韦亚一审阅,特此致谢。)

制版编辑 | 姜丝鸭

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