光刻技術(shù)

光刻技術(shù)是指在光照作用下，借助光致抗蝕劑（又名光刻膠）將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)。最早的光刻技術(shù)出現(xiàn)于1822年，起初是法國人Joseph Nicephore niepce（涅普斯）試圖復(fù)制一種刻蝕在油紙上的印痕。他先將油紙放在一塊玻璃片上，在上面涂滿了一種在植物油中溶解的瀝青，經(jīng)過一段時(shí)間的暴曬之后，透光部分的瀝青就會變得很硬，但是在不透光的部分可以用松香和植物油將其洗掉。這項(xiàng)發(fā)明出現(xiàn)的很早，將其使用于制造印刷電路板卻已經(jīng)是100多年后的故事了。

早期發(fā)展

1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的朱爾斯安德魯斯和沃爾特邦德開始把制造印刷電路板的光刻技術(shù)應(yīng)用到矽片上。仙童半導(dǎo)體的諾伊斯和拉斯特在1958年制造了第一臺“步進(jìn)重復(fù)”光刻照相機(jī)，并用于硅基晶體三極管的制造。20世紀(jì)60年代，美國GCA公司制造出來第一臺接觸式光刻機(jī)，接觸式光刻機(jī)就是將光掩模直接蓋在硅片上，使得兩者直接接觸，然后在其上方用光線照射。

在同時(shí)期，日本的尼康和佳能打入了GCA的供應(yīng)鏈，在供應(yīng)的同時(shí)學(xué)到了許多光刻機(jī)生產(chǎn)工藝、技術(shù)的知識。到了60年代末期，尼康和佳能便開始研發(fā)光刻機(jī)。在GCA和Perkins Elmer爭搶光刻機(jī)老大地位的時(shí)候，尼康在1980年推出了第一臺步進(jìn)式光刻機(jī)。雖然尼康的初代光刻機(jī)出現(xiàn)了許多問題，但在日本國內(nèi)的企業(yè)和日本政府的共同努力下攻克了技術(shù)問題，使得尼康在1982年能夠向美國賣出高性能的光刻機(jī)，其穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度甚至比GCA更加優(yōu)異。到了80年代末期，日本雙雄已經(jīng)占據(jù)了70%的市場份額，而此時(shí)的ASML才于荷蘭埃因霍溫飛利浦辦公室附近的漏雨廠棚里創(chuàng)立不久。

攻克193nm光源

從90年代開始，光刻機(jī)競爭的主戰(zhàn)場成為了光源波長的競爭。光源波長從365nm降低到了193nm，對應(yīng)的制程也從800~250nm減小到130~65nm。隨著摩爾定律的推進(jìn)，下一個(gè)節(jié)點(diǎn)157nm波長的光源卻一直沒做出來。

到了2002年7月，臺積電的林本堅(jiān)博士在布魯塞爾舉辦的157nm微影技術(shù)研討會上提出了“浸潤原理”的專題演講。在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中，鏡頭與光刻膠之間的介質(zhì)是空氣，林本堅(jiān)提出的這種方法就是在光刻膠上方加一層水，利用光通過液體介質(zhì)后波長縮短來提高分辨率，這個(gè)方法后來被稱為“浸沒式光刻”，采用這種方法能夠在不改變光刻機(jī)波長的情況下做出等效134nm的波長。

當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)老大尼康并沒有采納這個(gè)原理，因?yàn)槿绻捎镁偷弥匦略O(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)、調(diào)整系統(tǒng)需要花費(fèi)很長時(shí)間，并且當(dāng)時(shí)的尼康研發(fā)干式157nm也已經(jīng)投入了巨額的研發(fā)費(fèi)用，一時(shí)半會很難更改研究方向。

2004年，ASML和臺積電共同研發(fā)的浸沒式光刻機(jī)誕生。由于這種光刻機(jī)可以在成熟的193nm設(shè)備上進(jìn)行改造，所以設(shè)備的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于同期尼康推出的157nm“干刻”光刻機(jī)，也降低了客戶的開銷。這種浸沒式光刻機(jī)也將芯片制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步提高，通?？梢宰?5nm到7nm的芯片了，頂尖高端的能做到5nm。ASML便從2004年開始逆襲，到了2009年，它的市場份額已經(jīng)達(dá)到了70%。

到了2007年，浸沒式光刻機(jī)已經(jīng)成為45nm以下芯片制成的主流選擇。不過這種光刻機(jī)還是使用的DUV，即深紫外光源，所以都屬于DUV光刻機(jī)。尼康在此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上由于錯(cuò)誤的判斷，短短幾年時(shí)間就痛失了行業(yè)領(lǐng)先地位，不過多年的老大技術(shù)底蘊(yùn)還是有的。尼康后來也隨大流搞了浸沒式光刻機(jī)，最新的液浸式掃描光刻機(jī)NSR-S635E，能達(dá)到5nm制程，可以與ASML的高端DUV光刻機(jī)NXT2000i一較高下。

進(jìn)入EUV時(shí)代

憑借著浸沒式DUV光刻機(jī)讓ASML成為了光刻機(jī)領(lǐng)域的老大，但真正讓其他的公司望塵莫及的是EUV光刻機(jī)的研發(fā)。EUV光刻機(jī)的發(fā)明，可能是迄今為止人類科技領(lǐng)域所到達(dá)的最高峰，這是人類突破艱難科技問題、花費(fèi)巨額研發(fā)資金才孕育出的智慧結(jié)晶。

在科技方面，ASML加入了EUV LLC聯(lián)盟。1997年，英特爾發(fā)覺到僅憑一兩家企業(yè)想要攻克193nm光源問題無比困難，便說服了美國能源部共同發(fā)起了EUV LLC合作組織。這個(gè)聯(lián)盟里匯集了眾多頂級大咖，比如美國三大國家實(shí)驗(yàn)室、摩托羅拉、AMD等等，當(dāng)然還包括數(shù)百位頂尖科學(xué)家。到了90年代末期，美國的光刻機(jī)公司已呈凋零之勢，英特爾想讓ASML和尼康加入進(jìn)來。但美國政府不想讓自己的尖端技術(shù)落入外國公司手中，反對他們加入。ASML在做出了一系列讓步和承諾之后才加入了EUV LLC聯(lián)盟，做出的承諾包括由ASML出資在美國建工廠和研發(fā)中心，還保證55%的原材料都從美國采購，并接受定期審查等等。

在資金方面，ASML向政府和客戶尋求支持。政府對ASML給予了一些補(bǔ)貼，下游客戶通過注入資金的方式成為股東，以此享有優(yōu)先訂貨權(quán)。靠著這個(gè)計(jì)劃，ASML迅速以23%的股權(quán)籌集到來自英特爾、臺積電、三星投資總計(jì)約39億歐元的資金，而且這些客戶還向ASML提供了13.8億歐元的資金用于EUV的研發(fā)。

EUV是未來光刻技術(shù)和先進(jìn)制程的核心。為了追求芯片更快的處理速度和更優(yōu)的能效，需要縮短晶體管內(nèi)部導(dǎo)電溝道的長度，而光刻機(jī)的分辨率決定了IC的最小線寬。因此，光刻機(jī)的升級就勢必要往最小分辨率水平發(fā)展。光刻機(jī)演進(jìn)過程是隨著光源改進(jìn)和工藝創(chuàng)新而不斷發(fā)展的。EUV作為5nm及更先進(jìn)制程芯片的剛需，覆蓋了手機(jī)SoC、CPU、GPU、1γ工藝DRAM等多種數(shù)字芯片。

同時(shí)，EUV相較DUV簡化了光刻流程的復(fù)雜性，使客戶能夠提高成本效益。因此，掌握EUV技術(shù)，就是掌握未來半導(dǎo)體先進(jìn)制程的發(fā)展方向和制高點(diǎn)。

結(jié)語

光刻機(jī)是集成電路制造過程中最復(fù)雜、最重要、最核心的設(shè)備，現(xiàn)階段最高端的EUV光刻機(jī)只有ASML能生產(chǎn)出來。自主研發(fā)并制造光刻機(jī)，對于我們還有很長的路要走。