芯片破壁者：光刻技术的“鬼斧”之变

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作者:脑极体，标题图片来自:视觉中国

今天，似乎在晶体管发明之后，集成电路的出现直到今天超大规模集成电路的出现都是理所当然的事。然而，如果我们回到半导体工业早期发展的历史场景，我们会发现在关键技术上没有突破是“不可避免的”。

硅片上的集成电路和电子元件

光刻是半导体芯片出现的关键技术之一，它仍然是当今芯片的核心制造工艺。光刻机也被称为半导体工业的皇冠上的宝石。

在试图探索如何突破中国半导体产业的同时，光刻技术和光刻机一直是我们无法回避的技术难题，也是我们必须跨越的技术高峰。

然而，高端光刻机涉及的技术种类多，技术难度高，产业链复杂，远远超出了外行人的想象。在半导体工业70多年的发展过程中，正是光刻技术的不断进步推动了芯片结构的不断升级。与此同时，光刻技术及其配套材料和设备如光刻机、光源、光学元件和光刻胶也形成了极高的技术壁垒和复杂的产业布局。

首先，我们将回到光刻技术诞生的历史场景中去还原它，同时也深入到光刻技术的演变和光刻产业的竞争地图中去，这样我们就可以获得光刻技术的全球视野，更好地了解我们所生活的半导体光刻产业的竞争格局。

拍摄硅晶体，光刻技术的首次亮相

从晶体管的发明到集成电路的出现，还有一个巨大的飞跃，那就是如何将大量的电子器件小型化以集成在一个小电路上。世界上最聪明的电子工程师又花了十年时间完成这一飞跃，这十年成为电子技术史上的第一个关键时期。

在20世纪50年代，在芯片出现之前，电子设备的连接几乎都是手工完成的。当时，美国海军的一艘空航空母舰拥有35万台电子设备，需要数千万个焊接点。这种工程量使得电子设备的生产效率严重低下，电路的成品率完全取决于操作人员的熟练程度和准确性。

电子工业正在呼吁小型化集成电路的出现，也就是芯片，而制造芯片的技术正在贝尔实验室酝酿。

自1950年以来，贝尔实验室的几位化学家相继完成了锗晶体和硅晶体的提纯。到1995年初，亨利·索洛已经生产出杂质浓度低于千分之一的硅晶体。

同时，化学家卡尔文·富勒(Calvin Fuller)领导的团队开发了锗晶体高温杂质扩散过程，可以精确控制杂质进入锗晶体的深度和数量，制造pn结。1955年，Fuller的研究小组将扩散技术应用于硅晶体，并通过扩散技术将两种杂质注入硅片，形成了npn结构。扩散技术仍然是晶体管制造的基础。

贝尔实验室通过扩散技术制造的第一个硅基晶体管

与此同时，贝尔实验室的卡尔·弗洛西(Karl Flossie)和林肯·德里克(Lincoln Derrick)提出了一种全新的扩散技术，即在硅片上形成一层氧化膜，并在其上刻蚀出窗口图案，使杂质只能从窗口扩散到硅基片上，同时保护氧化膜覆盖的地方。

在实现了这些基本过程之后，光刻技术的出现也就准备好了。1955年，贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯(Jules Andrews)和沃尔特·邦德(Walter Bond)开始合作，将用于制造印刷电路的光刻技术应用于硅片加工。该方法是在二氧化硅氧化膜上均匀涂覆一层“光致抗蚀剂”(即光致抗蚀剂)，然后通过光学掩模曝光该层上的窗口图案以形成精确的窗口区域。然后通过化学蚀刻形成该“窗口”，同时去除未曝光的“光致抗蚀剂”。最后，所需的杂质通过这些“窗口”扩散到下面的硅衬底中，以形成半导体器件所需的P型和N型结构，从而形成更精确和复杂的半导体器件。

简言之，平版印刷术的本质是制造芯片所需的电子电路和功能区域。光刻机使光源穿过掩模以曝光涂有光致抗蚀剂的硅片。曝光后，光致抗蚀剂发生变化，从而“复制”掩模上的图案，最后在晶片上产生电子电路图。

净化技术、扩散技术、氧化物掩模技术和光刻技术填补了从晶体管分立器件到集成电子电路的巨大空白。

不久之后，德克萨斯仪器公司的基尔比和飞兆半导体公司的诺伊斯将这些半导体制造工艺从贝尔实验室应用到集成电路制造中，为半导体工业的腾飞开辟了道路。

“摩尔定律”提升光刻技术竞争力

有趣的是，光刻技术的发展有一个分支。在贝尔实验室(Bell Laboratories)在半导体技术方面取得进展的同时，杰伊·莱斯罗普(Jay Lesrop)和詹姆斯·奈尔(James Nair)两位当时为美国国防部研究固态电路小型化的工程师，于1952年开始使用光致抗蚀剂制造锗晶体管。1957年，基于贝尔实验室的研究成果，他们进一步推广了光刻技术，制作了晶体管和陶瓷的小型化混合电路，并创造了“光刻”一词。

莱斯罗普和奈尔提交的光刻专利

1958年，飞兆半导体的霍尼发明了平面工艺，解决了晶体管的绝缘和布线问题。与此同时，光栅和诺伊斯制造了世界上第一台用于制造硅基晶体管的光刻相机。1959年，飞兆半导体开发了世界上第一个单结构硅片。1963年，cmos制造工艺被开发出来，成为当今集成电路工业的主流制造工艺。

在20世纪60年代早期，平版印刷技术仍然非常初级。当时，掩模板一个接一个地附着在晶片上，晶片的尺寸只有1英寸。因为原理并不复杂，就像摄影一样，半导体公司也可以自己设计相关的光刻工具和设备，但是很快就出现了专业的光刻机，并成为芯片制造的关键设备之一。

1965年，英特尔创始人、时任飞兆半导体实验室主任的戈登·摩尔观察到，每一代芯片的容量几乎是上一代芯片的两倍，并提出摩尔定律来推动半导体技术的不断升级。在当时的版本中，在不变价格的基础上，集成电路芯片上可容纳的元件数量每年翻一番。1975年，他改为每两年翻一番。

摩尔定律的前进路线

实现摩尔定律的关键是光刻。随着集成电路元件的缩小以及芯片集成度和运算速度的提高，对光刻技术的分辨率要求越来越高。最后，摩尔定律的实现与光学分辨率密切相关，光学分辨率由瑞利公式确定:cd=k1*λ/na

其中cd是曝光的关键尺寸，k1是过程常数，λ是光的波长，na是投影物镜的光学数值孔径。cd值越低，代表性分辨率越高，也就是说，只有每两年将cd降低30%~50%，才能满足摩尔定律。

因此，有三种方法可以提高光学分辨率，如减小k1值、增大数值孔径na和减小波长λ。在实际技术中，k1值和na值的提高是有限的，减小曝光光源的波长λ已经成为光刻技术的发展趋势。

自20世纪60年代以来，半导体曝光光源经历了20世纪80年代的可见光、436 nm和365 nm近紫外光源，以及90年代的248 nm深紫外准分子krf激光器。直到20世纪90年代末，193 nm arf准分子激光器，也就是duv激光源仍然用于今天的主流计算机主机芯片制造。

正是193纳米的波长成为了今天决定光刻工业模式的分水岭。

面对当时如何突破193纳米波长的难题，科学界和光刻机行业都在寻找超越它的计划。当时，美国的svg和日本的尼康基于上一代的干法平版印刷方法，选择了157纳米的f2激光，这样看起来更安全。美国能源部和英特尔与摩托罗拉和amd共同发起成立了极紫外有限责任公司，除了较小的epl和离子光刻外，还专注于13.5纳米的超先进极紫外光源。然而，这些尝试当时都失败了。

有趣的是，来自TSMC的工程师林本建在2002年提出了一项基于193纳米波长的技术，但却把干法光刻变成了浸没式光刻，即在光刻胶上添加一薄层水，将193纳米波长折射到134纳米，这一下子突破了157纳米的难度。从那时起，浸没式光刻已经改进了许多倍，并且已经实现了22纳米工艺。

asml第一台浸没式光刻机

浸没光刻技术的首选是asml，它是“自然选择之子”。最后，在asml和TSMC的合作下，它率先生产了193纳米浸没式光刻机。正是这种新产品领先尼康三年，使得阿斯玛完全赢得了光刻机的大部分市场份额。失败的尼康从未能够生产出更好的光刻机，但只能停留在低端市场。

此后，只有asml和euv光刻机被留在光刻机的高端轨道上。这一段需要我们用另一个特殊的话题来分析。

在光刻技术的几十年发展中，我们实际上可以看到光刻工业的一条不断变化的道路。

光刻行业的残酷淘汰

毫无疑问，半导体晶体管和光刻技术是从贝尔实验室开始的。那么，在专利制度如此完善的美国，为什么贝尔实验室及其背后的美国电话电报公司没有成为半导体行业的领导者，而许多美国半导体公司却在短时间内迅速崛起？

这场技术革命之所以迅速蔓延到整个行业，是因为at t当时面临反垄断的压力，不得不向美国政府表明立场，并公开半导体技术。1956年，贝尔实验室召开了第三次半导体晶体管技术共享会议，并正式宣布了光刻、扩散技术和氧化物掩模技术。连同早在1952年出售的晶体管生产技术，它直接扩展了德州仪器、ibm、摩托罗拉、索尼等公司的半导体技术，并间接催生了后来的半导体巨头如飞兆半导体、英特尔和amd。

光刻技术的出版和传播引发了光刻机行业的创新和布局迁移。

美国公司首先受益。1961年，gca医疗技术公司制造了第一台光刻机。20世纪70年代，美国卡斯珀仪器公司和珀金埃尔默公司相继推出了对准和投影光刻产品，占据了市场机会。1978年，gca推出了第一台分辨率为1微米的自动步进机，逐渐占据了市场的主导地位。

1980年，尼康推出了步进式光刻机nsr-1010g

当时，光刻技术的门槛相对较低。20世纪60年代末，日本的尼康和佳能开始涉足光刻机行业，因为他们有相似的行业。20世纪80年代，尼康发布了其首款商用步进机nsr-1010g，配备了更先进的光学系统和自行开发的镜头，并开始从gca赢得ibm、英特尔和amd等一系列大客户。

直到1984年，尼康一直与gca平起平坐，各占据30%的市场份额。奥拓、伊顿、保时捷、佳能、日立等。将剩余的40%进行分配。

图中简单的木屋是阿斯玛的原始办公室

今年，未来光刻机行业的霸主asml(高级半导体材料光刻公司)与荷兰飞利浦公司和一家名为asmi的小公司合作成立。在成立之初，asml只有31名员工，只能在飞利浦大楼外的一个简单的木屋里工作。asml的崛起还有一段时间，那是20世纪80年代日本半导体和光刻行业的“我们生活的日子”。

随着1986年半导体市场的大衰退，广汽的新产品开发停滞不前，然后被收购，然后因为没有人接手而关闭。Ultratech在被管理层收购后停滞不前，1990年，p e .的光刻部门也被出售给svg。20世纪80年代末，美国的三大光刻机巨头纷纷倒下，而日本的尼康和佳能占据了大部分市场份额，而刚刚起步的阿斯玛仅获得了10%的市场份额。

20世纪90年代，是尼康和阿斯玛相互竞争的时代。然而，由于本世纪初的技术路线争议，尼康失败了，而阿斯梅尔则一败涂地。直到今天，它在平版印刷行业的主导地位仍然牢不可破。

一般来说，在光刻技术发展的六十年里，光刻机企业的迅速淘汰和转移，实际上，在它的背后有一个非常现实的矛盾。也就是说，作为芯片制造的上游产业，光刻机的销售市场非常狭窄，销量有限。当时，一家公司的年销量只有几十台，但光刻机是一项高科技技术，需要巨额资金不断投入研发，不断更新换代，随着芯片制造工艺的变小，技术难度成倍增加。

因此，一旦一个公司的产品技术停滞不前或出现突破，领先的公司将从少数半导体制造商手中夺走绝大多数订单，而落后的企业将因失去关键收入而无法开发和生产新的光刻机，从而失去赢得竞争的机会。

简单地说，平版印刷行业的逻辑是赢家通吃，尼康的失败是过去的教训。

中国光刻机行业的现状与可能性

回到中国半导体产业的突破，核心任务是实现高端光刻机的国产化，尤其是euv光刻机。

然而，当我们理解光刻技术的演变和光刻机行业的迁移过程时，我们可能会更加冷静地面对极其困难的竞争局面。

首先，中国还没有进入光刻行业很短的时间，但我们的核心技术和专利积累仍然严重不足。专利技术受制于人，这已成为中国半导体行业的一大心病。

主要申请全球光刻机专利的公司

长期以来，日本的尼康、东京电子和佳能都是光刻机的主要专利申请人。20世纪90年代以后，asml光刻机的专利数量也大幅增加，日本也有大量的专利。此外，台湾、美国和韩国也有许多专利布局。相比之下，中国与光刻机相关的专利申请比例仍然很低，而且近年来没有增加的趋势。基础技术垄断和技术研发门槛高可能成为中国光刻行业难以突破的主要因素。

芯片中场效应晶体管的结构发展

其次，当我们意识到我们想要促进半导体工业的自主性时，芯片制造的摩尔定律正接近其极限，而主要的限制因素之一是光刻工艺正接近其理论极限。当芯片制造工艺发展到5纳米以下时，如何突破物理和材料的限制成为光刻机和半导体制造企业面临的现实问题。

此外，为了应对日益高涨的芯片制造成本，芯片行业采用了企业间并购的模式。到目前为止，最先进的芯片生产线只属于英特尔、TSMC、三星和Grofonde等少数芯片制造巨头，与asml等原材料和设备制造商形成“你有我，我有你”的垄断格局。

对于我们国内的光刻机行业，我们面临着壁垒严格的技术专利封锁，工业阶段直接接近技术进化的极限，而asml的压倒性优势处于完全垄断的地位。我们此时发起的技术挑战确实注定是一个极其困难的极端挑战。

对于那些关心半导体工业突破的人来说，我担心他们不能没有耐心，期待我们的光刻技术在短短几年内赶上甚至超过外国巨头。我们应该冷静地认识到，光刻机作为芯片制造中最复杂、最复杂、最困难、最昂贵的设备，已经不再是一个国家或几个企业能够完成的项目。

为了开发最先进的光刻设备，我们必须与世界顶尖的光源、光学、材料和关键部件制造商合作。即使在美国试图禁止我国半导体工业发展的艰难环境下，我们也不能放弃与这些国外先进技术企业交流合作的机会。

武汉光电国家研究中心研制的“9纳米光刻机”

当然，除了依靠商业合作，更重要的是我们的半导体企业要努力在某些技术领域取得技术突破。只有当我们掌握了“我有但别人没有”的前端技术，我们才能有足够的话语权与这些大师竞争，加入高端光刻机制造的产业部门。

当然，一方面，令人欣慰的是，我国已经真正实现并促进了光刻机技术的自主化，我国光刻机行业正在取得技术突破。我们将在后面更详细地讨论这个问题。

来源：人民视窗网