芯片破壁者：光刻技能的“鬼斧”之变

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硅晶圆上的集成电路和电子元器件

光刻技能，正是半导体芯片得以呈现的要害技能之一，也如故是本日芯片的焦点制造工艺，光刻机更是被誉为半导体财富皇冠上的明珠。

在试图切磋我国怎样实现半导体财富突围的当下，光刻技能和光刻机始终是我们无法回避的技能隐痛，也是我们必需超过的技能岑岭。

不外，高端光刻机所涉及的技能种类之多、技能难度之高、财富链之伟大，远超门外汉的想象。在半导体财富七十多年的历程中，正是光刻技能的不绝改造敦促了芯片布局的迭代进级，同年华刻技能以及相伴而生的光刻机、光源、光学元件、光刻胶等原料装备，也形成了极高的技能壁垒和错综伟大的财富国界。

我们起首将回到光刻技能降生的汗青现场举办还原，也会深入到光刻技能的演进过程，以及光刻机财富的竞争国界中，让我们得到对付光刻技能的全局视野，从而也能更好领略当下我们所处的半导体光刻机财富的竞争名堂。

为硅晶体照相，光刻技能的闪亮登场

从晶体管的发现到集成电路的呈现，这中间尚有一个庞大的超过，那就是怎样将大量的电子器件微型化，以集成在一小片电路上。完成这一超过，全天下最智慧的电子工程师们又花了十年时刻，这十年也成为电子技能史上面的第一个要害时期。

20世纪50年月，在芯片呈现之前，电子器件的毗连险些都要依靠手工完成。其时美国水师的一艘航空母舰有35万个电子装备，必要上万万个焊接点。这样的工程量使得电子装备的出产服从严峻低下，电路的制品率也完全依靠操纵职员的纯熟度和精确度。

电子财富界都在呼喊微型化集成电路，也就是芯片的呈现，而建造芯片的工艺正在贝尔尝试室中酝酿。

从1950年起，贝尔尝试室的几位化学家延续完成了锗晶体和硅晶体的提纯。到1995年头，亨利·索罗制造出了杂质浓度小于千分之一的硅晶体。

与此同时，化学家卡尔文·富勒率领的小组研发出高温下锗晶体的杂质扩散工艺，可以通过精准地节制杂质进入锗晶体的深度和数目，制造出PN结。1955年，富勒研究小组已经把扩散技能应用在硅晶体上面，通过扩散技能将两种杂质注入硅片上，形成NPN布局。扩散技能至今如故是晶体牵制造的基本。

贝尔尝试室以扩散技能制造的第一个硅基晶体三极管

同时在贝尔尝试室事变的卡尔·弗洛希和林肯·德里克为扩散技能提出了一种全新的方法，那就是在硅片表白天生一层氧化膜，在其上蚀刻出窗口图形，从而使得杂质只能从窗口扩散到硅衬底中，而包围氧化膜的处所则被掩护了起来。

在这些基本工艺实现之后，光刻技能的呈现也呼之欲出。1955年，贝尔尝试室的朱尔斯·安德鲁斯和沃尔特·邦德开始相助，将于制造印刷电路的光刻技能用于硅片加工。其要领就是在二氧化硅的氧化膜上匀称涂抹一层“光致抗蚀剂”（也就是光刻胶），随即通过光学掩模的方法将窗口图形袒露在这一图层上，形成精准的窗口地区。然后再通过化学蚀刻将这一“窗口”形成，同时撤除未曝光的“光致抗蚀剂”。最后再将所需杂质通过这些“窗口”扩散到下面的硅衬底中，形成半导体器件所必要的P型和N型布局，从而组成更精准、更伟大的半导体器件。

简言之，光刻技能的实质就是将芯片所必要的电子线路和成果区制造出来。光刻机将光源通过掩模，对涂了光刻胶的硅晶圆举办曝光，曝光后的光刻胶产生变革，也就“复印”了掩模上面的图形，最终也就使得晶圆上面发生了电子线路图。

纯化技能、扩散技能、氧化层掩膜技能以及光刻技能，这些制造工艺技能填平了从晶体管分立器件到集成电子线路的庞大鸿沟。

不久之后，德州仪器的基尔比和仙童半导体的诺伊斯，就将这些来自贝尔尝试室的半导体制造工艺应用在了集成电路的制造上面，开启了半导体财富的起飞之路。

光刻技能的“摩尔定律”进级赛

风趣的是，光刻技能的成长尚有一条支线。就在贝尔尝试室取得半导体技能盼望的同时，其时为美国国防部研究固态电路微型化的两位工程师杰伊.莱斯罗普和詹姆斯.纳尔，早已在1952年开始行使光刻胶来建造锗晶体管。1957年，两人在贝尔尝试室研究成就的基本长进一步推进了光刻技能，制成了小型化的晶体管和陶瓷的殽杂电路，并缔造了“光刻”（Photolithography）一词。

莱斯罗普和纳尔申请的光刻专利

1958年，仙童半导体的霍尼发现了平面工艺，办理了晶体管的绝缘和连线题目，同时拉斯特和诺伊斯造出了天下上第一台光刻摄影机，用于硅基晶体三极管的制造。1959年，仙童半导体研制天下第一个单布局硅晶片。1963年，研制出CMOS制造工艺，成为本日IC财富的主流制造工艺。

六十年月初，光刻技能还很是低级，其时掩模板是一比一贴在晶圆上，而晶圆的巨细也只有1英寸。由于道理并不伟大，就犹如摄影一样，半导体公司还能本身计划相干光刻器材和设备，但很快专业的光刻机呈现，随即成为了芯片制造的要害装备之一。

也就在1965年，英特尔首创人，时任仙童半导体尝试室主任的戈登·摩尔通过调查发明每代芯片险些都是前一代芯片容量的两倍，以此提出了敦促半导体技能一连进级的“摩尔定律”。其时的版本是，集成电路芯片上可容纳的元器件数量，在价值稳固的基本上每年翻一番。1975年，他又改为每两年翻一番。

摩尔定律的推进蹊径

而摩尔定律实现的要害正是光刻技能。跟着集成电路元器件尺寸不绝缩小，而芯片集成度和运算速率的不绝进步，对光刻技能的判别率要求也越来越高。最终摩尔定律的实现正是同这一光学判别率痛痒相干，而光学判别率则是由一个瑞利公式抉择：CD=K1*λ/NA

个中，CD为曝光要害尺寸，K1为工艺常数，λ为光波长，NA为投影物镜的光学数值孔径。CD值越低，代表判别率越高，也就是，光刻技能只有每两年把CD低落30%~50%，摩尔定律才气得以应验。

以是，进步光学判别率的要领有三种，低落K1值，进步数值孔径NA，低落波长λ。在实际的技能工艺中，K1值和NA值的改造有限，而低落曝光光源的波长λ成为光刻技能一连敦促的趋势。

从六十年月开始，半导体曝光光源经验了可见光、八十年月的436纳米、365纳米近紫外波段的高压汞灯光源，再到九十年月的248纳米深紫外波段的准分子KrF激光。一向到九十年月末的193纳米ArF准分子激光，也就是本日主流电脑主机芯片制造还在行使的DUV激光光源。

正是193纳米波长，成为抉择本日光刻机财富名堂的分水岭。

面临其时怎样打破193纳米波长的困难，科学界和光刻机财富界都在寻求逾越它的方案。其时美国的SVG、日本的尼康，基于前一代的干式光刻法，选择了看起来更稳妥的157纳米的F2激光，美国能源部和英特尔提倡，连系摩托罗拉、AMD等组建了EUV LLC，主攻过于超前的13.5纳米的EUV极紫外光光源，另外尚有更小众的EPL、离子光刻等。不外其时这些实行都失败了。

风趣的是，来自台积电的工程师林本坚，在2002年提出了一种基于193纳米波长，但改变干式光刻为浸润式光刻工艺，也就是在光刻胶上方加上一层薄薄的水，来把193纳米波长折射成134纳米，一下子打破了157纳米的难关。从此浸润式光刻技能颠末多次的工艺改造，更是做到了22纳米制程。

ASML的第一台浸润式光刻机

而最早选择浸润式光刻技能的，就是谁人“天选之子”一样平常的ASML。最终，在ASML和台积电的共同全力下，率先将193纳米浸润式光刻机出产出来，也正是这一领先尼康三年的新产物，让ASML彻底赢得了光刻机绝大部门的市场份额。而溃败的尼康再也没能拿出更好的光刻机，而只能逗留在中低端市场傍边。

在此之后，光刻机的高端赛道上只剩下ASML和独步全国的EUV光刻机。而这一段必要我们另辟专题专门去说明。

在光刻技能的数十年演进进程中，我们着实也能隐隐看到一条光刻机财富的变迁路径。

光刻机财富残忍裁减赛

毋庸置疑，半导体晶体管以及光刻技能的发端肇始于贝尔尝试室。那么，在专利制度云云完美的美国，为什么贝尔尝试室及其背后的AT&T没有成为半导体财富的领军者，而是在短时刻内有浩瀚的美国半导体企业敏捷崛起？

这场技能革命之以是很快传遍整个财富界，源于其时AT&T面对反把持的压力，不得不向美国当局亮相，将半导体技能公之于众。1956年，贝尔尝试室第三次召开半导体晶体管技能分享会，正式发布了光刻、扩散技能和氧化层掩膜技能，连同早在1952年就出售的晶体管出产技能，直接壮大了德州仪器、IBM、摩托罗拉、索尼等公司的半导体技能，也间接催生了仙童、英特尔、AMD等其后的半导体巨头。

而光刻技能的发布和扩散更是激发了一连至今的光刻机财富的刷新和国界迁徙。

最先受益的天然是美国企业。1961年，美国GCA医疗技能公司造出了第一台光刻机。七十年月，美国Kasper仪器公司、Perkin Elmer公司先后推出对齐式、投影式光刻产物，霸占了市场先机。1978年，GCA又推出了真正意义上第一台自动化步进式光刻机Stepper，判别率可以到达1微米，逐渐占有了市场主导职位。

1980年，尼康推出步进式光刻机NSR-1010G

因为其年华刻技能门槛相对不高，六十年月末，日本的尼康和佳能由于财富临近，也开始涉足光刻机财富。到了八十年月，尼康发售了本身首台商用步进式光刻机NSR-1010G，拥有更先辈的光学体系和自研的镜头，开始从GCA手里夺下了IBM、英特尔、AMD等一系列大客户。

直到1984年，尼康已经可以和GCA不相上下，各自占有30%的市场份额。Ultratech、Eaton、P&E、佳能、日立等剩下几家朋分剩下的40%。

图中的浅显木板房就是ASML最初的办公所在

而这一年，将来光刻机财富的霸主ASML（先辈半导体原料光刻公司），在荷兰飞利浦公司和一家名叫ASMI的小公司相助下创立。创立之初，ASML只有31名员工，而且只能在飞利浦大楼外的浅显木房里办公。ASML的崛起尚有一段时刻，八十年月是日本半导体和光刻机财富的“光耀光阴”。

跟着1986年半导体市场大滑坡，GAC的新产物开拓停滞，随即被收购，再之后因无人接办而关门。Ultratech 在被打点层收购后裹足不前，P&E的光刻机部分也在1990年被卖给了SVG。八十年月末，美国的光刻机三巨头陨落，而日本的尼康、佳能占有了绝大部门市场份额，方才起步的ASML也只拿到10%的市场份额。

而到了90年月，就是尼康和ASML双雄竞争的期间，不外由于世纪之初的那一场技能蹊径之争，尼康落败，ASML一骑绝尘，一向到本日其光刻机财富霸主的职位如故牢不行破。

总体来看，在光刻技能成长的六十年时刻里，光刻机企业走马灯似的快速裁减和转移，着实背后有一个很是实际的抵牾。就是光刻机作为芯片制造的上游财富，贩卖市场很是狭小，销量也异常有限，其时一家的年销量也不外几十台，可是光刻机又是一个必要巨额资金一连投入研发、一连更新迭代的高精尖技能，并且跟着芯片制程越小，技能难度又泛起指数级增进。

因此，一旦一家企业呈现产物的技能停滞或断档，领先一步的企业就会拿走少数几家半导体厂商的绝大大都订单，而落伍的企业也因失去要害营收而无力举办光刻机新品的研发和出产，也就失去赢得竞争的机遇。

简朴来说，光刻机财富的逻辑就是赢者通吃，尼康的败局就是前车可鉴。

我国光刻机财富近况与也许

回到我国的半导体财富突围的题目上来，最焦点的一项使命就是实现高端光刻机，出格是EUV光刻机的国产化。

不外，当我们相识了光刻技能的演变和光刻机财富迁徙进程之后，也许会更沉着地面临当前无比艰巨的竞争名堂。

起首，我国在入局光刻机财富的时刻并不短，可是我们在焦点技能和专利上的蕴蓄如故严峻不敷。专利技能受制于人成为卡住我国半导体财富咽喉的庞大隐痛。

环球光刻机专利首要申请的公司

一向以来，日本的尼康、东京电子、佳能都是光刻机专利的申请大户。90年月之后，ASML的光刻机专利数也大幅增进，而且在日本也机关了大量专利。另外在中国台湾、美国和韩国也有较多的专利机关。对比之下，我国的光刻机相干专利申请比例如故很低，且近几年也并未有增进的趋势。基本技能把持、技能研发门槛高，也许成为我国光刻机行业难以打破的一大身分。

芯片中场效应管的架组成长

其次，就在我们意识到要敦促半导体财富自主化的时辰，芯片制造的摩尔定律已经在迫近极限，个中一大限定身分正是光刻工艺制程已经靠近理论极限。当芯片制程工艺向5纳米以下演进时，怎样冲破物理的、原料的极限，成为摆在光刻机和半导体制造企业眼前的实际困难。

其它，为应对日益奋发的芯片制造本钱，芯片行业采纳的方法就是企业间的并购重组，到今朝最先辈的芯片出产线只属于英特尔、台积电、三星和格罗方德等少数几家芯片制造巨头，他们与原原料和像ASML等装备商组成一个“你中有我，我中有你”的把持名堂。

对付我们海内的光刻机财富来说，既面对壁垒森严的技能专利封闭，又直接遭遇靠近技能演进极限的财富阶段，还要面临处于完全把持职位的ASML的压倒性上风，我们此时提倡的技能挑衅，真的注定是一场无比艰巨的极限挑衅。

对付体谅半导体财富突围的公共而言，生怕越发不能心急，祈望我国的光刻机技能在短短几年内就能追赶乃至高出海外巨头。我们更应该沉着地认清一个实际，光刻机作为芯片制造中最慎密、最伟大、难度最大、价值最昂贵的装备，早已不再是一个国度可能少数几家企业可以完成的工程了。

想要研制出最先辈的光刻机装备，必需与环球顶级的光源、光学、原料以及要害零部件等厂商举办相助。纵然在美国试图封禁我国半导体财富成长的艰巨情形下，我们也不能放弃与海外这些先辈技能企业交换、相助的机遇。

武汉光电国度研究中心研制的“9纳米光刻机”

虽然，除了依赖贸易相助之外，更重要的是我国的半导体企业要全力实此刻某些技能规模的技能打破，只有在把握“人无我有”的前端技能的环境下，我们才有足够的话语权来与这些好手过招，也才有也许插手到高端光刻机制造的财富分工傍边。

虽然，令人欣喜的一方面是，我国对光刻机技能的自主化有了真正的意识和敦促，我国的光刻机财富正在实现技能打破。后头我们将对此有越发细致的切磋。

本文素材来自互联网

（编辑：湖南网）

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