芯片破壁者（三）：光刻技術的“鬼斧”之變_風聞

在我們今天看來，晶體管發明以後，集成電路的出現一直到今天超大規模集成電路的出現，似乎是一件水到渠成的事情。但是如果回到半導體產業初興的歷史現場，我們就會發現沒有任何一項關鍵技術的突破是“必然產生”的。

（硅晶圓上的集成電路和電子元器件）

光刻技術，正是半導體芯片得以出現的關鍵技術之一，也仍然是今天芯片的核心製造工藝，光刻機更是被譽為半導體產業皇冠上的明珠。

在試圖探討我國如何實現半導體產業突圍的當下，光刻技術和光刻機始終是我們無法迴避的技術隱痛，也是我們必須跨越的技術高峯。

不過，高端光刻機所涉及的技術種類之多、技術難度之高、產業鏈之複雜，遠超外行人的想象。在半導體產業七十多年的進程中，正是光刻技術的不斷改進推動了芯片結構的迭代升級，同時光刻技術以及相伴而生的光刻機、光源、光學元件、光刻膠等材料設備，也形成了極高的技術壁壘和錯綜複雜的產業版圖。

我們首先將回到光刻技術誕生的歷史現場進行還原，也會深入到光刻技術的演進歷程，以及光刻機產業的競爭版圖中，讓我們獲得對於光刻技術的全局視野，從而也能更好理解當下我們所處的半導體光刻機產業的競爭格局。

為硅晶體拍照，光刻技術的閃亮登場

從晶體管的發明到集成電路的出現，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史上面的第一個關鍵時期。

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

電子產業界都在呼喚微型化集成電路，也就是芯片的出現，而製作芯片的工藝正在貝爾實驗室中醖釀。

從1950年起，貝爾實驗室的幾位化學家陸續完成了鍺晶體和硅晶體的提純。到1995年初，亨利·索羅製造出了雜質濃度小於千分之一的硅晶體。

與此同時，化學家卡爾文·富勒領導的小組研發出高温下鍺晶體的雜質擴散工藝，可以通過精準地控制雜質進入鍺晶體的深度和數量，製造出PN結。1955年，富勒研究小組已經把擴散技術應用在硅晶體上面，通過擴散技術將兩種雜質注入硅片上，形成NPN結構。擴散技術至今仍然是晶體管制造的基礎。

（貝爾實驗室以擴散技術製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了起來。

在這些基礎工藝實現之後，光刻技術的出現也呼之欲出。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，將於製造印刷電路的光刻技術用於硅片加工。其方法就是在二氧化硅的氧化膜上均勻塗抹一層“光致抗蝕劑”（也就是光刻膠），隨即通過光學掩模的方式將窗口圖形暴露在這一圖層上，形成精準的窗口區域。然後再通過化學蝕刻將這一“窗口”形成，同時除去未曝光的“光致抗蝕劑”。最後再將所需雜質通過這些“窗口”擴散到下面的硅襯底中，形成半導體器件所需要的P型和N型結構，從而構成更精準、更復雜的半導體器件。

簡言之，光刻技術的實質就是將芯片所需要的電子線路和功能區製造出來。光刻機將光源通過掩模，對塗了光刻膠的硅晶圓進行曝光，曝光後的光刻膠發生變化，也就“複印”了掩模上面的圖形，最終也就使得晶圓上面產生了電子線路圖。

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

不久之後，德州儀器的基爾比和仙童半導體的諾伊斯，就將這些來自貝爾實驗室的半導體制造工藝應用在了集成電路的製造上面，開啓了半導體產業的騰飛之路。

光刻技術的“摩爾定律”升級賽

有趣的是，光刻技術的發展還有一條支線。就在貝爾實驗室取得半導體技術進展的同時，當時為美國國防部研究固態電路微型化的兩位工程師傑伊.萊斯羅普和詹姆斯.納爾，早已在1952年開始使用光刻膠來製作鍺晶體管。1957年，兩人在貝爾實驗室研究成果的基礎上進一步推進了光刻技術，製成了小型化的晶體管和陶瓷的混合電路，並創造了“光刻”（Photolithography）一詞。

（萊斯羅普和納爾申請的光刻專利）

1958年，仙童半導體的霍尼發明了平面工藝，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台光刻照相機，用於硅基晶體三極管的製造。1959年，仙童半導體研製世界第一個單結構硅晶片。1963年，研製出CMOS製造工藝，成為今天IC產業的主流製造工藝。

六十年代初，光刻技術還非常初級，當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。因為原理並不複雜，就如同照相一樣，半導體公司還能自己設計相關光刻工具和裝備，但很快專業的光刻機出現，隨即成為了芯片製造的關鍵設備之一。

也就在1965年，英特爾創始人，時任仙童半導體實驗室主任的戈登·摩爾通過觀察發現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體技術持續升級的“摩爾定律”。當時的版本是，集成電路芯片上可容納的元器件數目，在價格不變的基礎上每年翻一番。1975年，他又改為每兩年翻一番。

（摩爾定律的推進路線）

而摩爾定律實現的關鍵正是光刻技術。隨着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，對光刻技術的分辨率要求也越來越高。最終摩爾定律的實現正是同這一光學分辨率息息相關，而光學分辨率則是由一個瑞利公式決定：

CD=K1*λ/NA

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

所以，提高光學分辨率的方法有三種，降低K1值，提高數值孔徑NA，降低波長λ。在現實的技術工藝中，K1值和NA值的改進有限，而降低曝光光源的波長λ成為光刻技術持續推動的趨勢。

從六十年代開始，半導體曝光光源經歷了可見光、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分子KrF激光。一直到九十年代末的193納米ArF準分子激光，也就是今天主流電腦主機芯片製造還在使用的DUV激光光源。

正是193納米波長，成為決定今天光刻機產業格局的分水嶺。

面對當時如何突破193納米波長的難題，科學界和光刻機產業界都在尋求超越它的方案。當時美國的SVG、日本的尼康，基於前一代的乾式光刻法，選擇了看起來更穩妥的157納米的F2激光，美國能源部和英特爾發起，聯合摩托羅拉、AMD等組建了EUV LLC，主攻過於超前的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。不過當時這些嘗試都失敗了。

有趣的是，來自台積電的工程師林本堅，在2002年提出了一種基於193納米波長，但改變乾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。此後浸潤式光刻技術經過多次的工藝改進，更是做到了22納米制程。

（ASML的第一台浸潤式光刻機）

而最早選擇浸潤式光刻技術的，就是那個“天選之子”一般的ASML。最終，在ASML和台積電的通力合作下，率先將193納米浸潤式光刻機生產出來，也正是這一領先尼康三年的新產品，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中。

在此之後，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闢專題專門去分析。

在光刻技術的數十年演進過程中，我們其實也能隱約看到一條光刻機產業的變遷路徑。

光刻機產業殘酷淘汰賽

毋庸置疑，半導體晶體管以及光刻技術的發端肇始于貝爾實驗室。那麼，在專利制度如此完善的美國，為什麼貝爾實驗室及其背後的AT&T沒有成為半導體產業的領軍者，而是在短時間內有眾多的美國半導體企業迅速崛起？

這場技術革命之所以很快傳遍整個產業界，源於當時AT&T面臨反壟斷的壓力，不得不向美國政府表態，將半導體技術公之於眾。1956年，貝爾實驗室第三次召開半導體晶體管技術分享會，正式公佈了光刻、擴散技術和氧化層掩膜技術，連同早在1952年就出售的晶體管生產技術，直接壯大了德州儀器、IBM、摩托羅拉、索尼等公司的半導體技術，也間接催生了仙童、英特爾、AMD等後來的半導體巨頭。

而光刻技術的公佈和擴散更是引發了持續至今的光刻機產業的革新和版圖遷移。

最先受益的自然是美國企業。1961年，美國GCA醫療技術公司造出了第一台光刻機。七十年代，美國Kasper儀器公司、Perkin Elmer公司先後推出對齊式、投影式光刻產品，佔領了市場先機。1978年，GCA又推出了真正意義上第一台自動化步進式光刻機Stepper，分辨率可以達到1微米，逐漸佔據了市場主導地位。

（1980年，尼康推出步進式光刻機NSR-1010G）

由於當時光刻技術門檻相對不高，六十年代末，日本的尼康和佳能因為產業相近，也開始涉足光刻機產業。到了八十年代，尼康發售了自己首台商用步進式光刻機NSR-1010G，擁有更先進的光學系統和自研的鏡頭，開始從GCA手裏奪下了IBM、英特爾、AMD等一系列大客户。

直到1984年，尼康已經可以和GCA平起平坐，各自佔據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，未來光刻機產業的霸主ASML（先進半導體材料光刻公司），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，並且只能在飛利浦大樓外的簡易木房裏辦公。ASML的崛起還有一段時間，八十年代是日本半導體和光刻機產業的“光輝歲月”。

隨着1986年半導體市場大滑坡，GAC的新產品開發停滯，隨即被收購，再之後因無人接手而關門。Ultratech 在被管理層收購後停滯不前，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、佳能佔據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，不過因為世紀之初的那一場技術路線之爭，尼康落敗，ASML一騎絕塵，一直到今天其光刻機產業霸主的地位仍然牢不可破。

總體來看，在光刻技術發展的六十年時間裏，光刻機企業走馬燈似的快速淘汰和轉移，其實背後有一個非常現實的矛盾。就是光刻機作為芯片製造的上游產業，銷售市場非常狹窄，銷量也十分有限，當時一家的年銷量也不過幾十台，但是光刻機又是一個需要鉅額資金持續投入研發、持續更新迭代的高精尖技術，而且隨着芯片製程越小，技術難度又呈現指數級增加。

因此，一旦一家企業出現產品的技術停滯或斷檔，領先一步的企業就會拿走少數幾家半導體廠商的絕大多數訂單，而落後的企業也因失去關鍵營收而無力進行光刻機新品的研發和生產，也就失去贏得競爭的機會。

簡單來説，光刻機產業的邏輯就是贏者通吃，尼康的敗局就是前車之鑑。

我國光刻機產業現狀與可能

回到我國的半導體產業突圍的問題上來，最核心的一項任務就是實現高端光刻機，特別是EUV光刻機的國產化。

不過，當我們瞭解了光刻技術的演變和光刻機產業遷移過程之後，可能會更冷靜地面對當前無比艱難的競爭格局。

首先，我國在入局光刻機產業的時間並不短，但是我們在核心技術和專利上的積累仍然嚴重不足。專利技術受制於人成為卡住我國半導體產業咽喉的巨大隱痛。

（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户。90年代之後，ASML的光刻機專利數也大幅增加，並且在日本也佈局了大量專利。此外在中國台灣、美國和韓國也有較多的專利佈局。相比之下，我國的光刻機相關專利申請比例仍然很低，且近幾年也並未有增加的趨勢。基礎技術壟斷、技術研發門檻高，可能成為我國光刻機行業難以突破的一大因素。

（芯片中場效應管的架構發展）

其次，就在我們意識到要推動半導體產業自主化的時候，芯片製造的摩爾定律已經在逼近極限，其中一大限制因素正是光刻工藝製程已經接近理論極限。當芯片製程工藝向5納米以下演進時，如何打破物理的、材料的極限，成為擺在光刻機和半導體制造企業面前的現實難題。

另外，為應對日益高昂的芯片製造成本，芯片行業採取的方式就是企業間的併購重組，到目前最先進的芯片生產線只屬於英特爾、台積電、三星和格羅方德等少數幾家芯片製造巨頭，他們與原材料和像ASML等設備商構成一個“你中有我，我中有你”的壟斷格局。

對於我們國內的光刻機產業來説，既面臨壁壘森嚴的技術專利封鎖，又直接遭遇接近技術演進極限的產業階段，還要面對處於完全壟斷地位的ASML的壓倒性優勢，我們此時發起的技術挑戰，真的註定是一場無比艱難的極限挑戰。

對於關心半導體產業突圍的大眾而言，恐怕更加不能心急，期望我國的光刻機技術在短短几年內就能追趕甚至超過國外巨頭。我們更應該冷靜地認清一個現實，光刻機作為芯片製造中最精密、最複雜、難度最大、價格最昂貴的設備，早已不再是一個國家或者少數幾家企業可以完成的工程了。

想要研製出最先進的光刻機設備，必須與全球頂級的光源、光學、材料以及關鍵零部件等廠商進行合作。即使在美國試圖封禁我國半導體產業發展的艱難環境下，我們也不能放棄與國外這些先進技術企業交流、合作的機會。

（武漢光電國家研究中心研製的“9納米光刻機”）

當然，除了依靠商業合作之外，更重要的是我國的半導體企業要努力實現在某些技術領域的技術突破，只有在掌握“人無我有”的前端技術的情況下，我們才有足夠的話語權來與這些高手過招，也才有可能加入到高端光刻機制造的產業分工當中。

當然，令人欣喜的一方面是，我國對光刻機技術的自主化有了真正的意識和推動，我國的光刻機產業正在實現技術突破。後面我們將對此有更加詳盡的探討。

參考文獻：

1.《芯片改變世界》，“芯片工藝：貝爾實驗室奠定的半導體工藝基礎”，2019年10月。

2.《科學》，“光刻技術的歷史與現狀”，2017年第三期。