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光刻机的发展与荷兰ASML公司的故事

2020-02-14 10:01:1366 ℃

2/13/2020, 众所周知,光刻是集成电路芯片制造的核心工艺。光刻机的成本占到了整个芯片生产的三分之一以上。而在光刻机的市场上,荷兰ASML公司如今据说占到了全球光刻机80%以上的市场。他们是如何做到的呢?
1960年代集成电路技术诞生后,最早的光刻工艺还不算什么尖端科技。仙童,IBM这些第一代芯片公司通常都是自己设计光刻工具,只有GCA, K&S和Kasper等少数公司开发一些独立的光刻设备。进入1970年代,光刻机成为不少美国公司竞争的焦点。先是Kasper推出接触式光刻设备,但是很快,接触式被接近式机台所淘汰,因为掩模和光刻胶的接触会很容易带来污染。接下来Perkin Elmer(P&E)推出投影式光刻系统,迅速占领市场。1978年,GCA公司推出步进式光刻机,光刻机的分辨率达到了1微米。但是由于性能问题,暂时没能撼动Perkin Elmer投影式光刻机的市场领先度,直到进入80年代后日本尼康公司推出更成熟的步进式光刻机NSR-1010G,投影式光刻机的市场才开始萎缩。整个80年代上半期,尼康,GCA各自占据了三成的光刻机全球市场。
也是在这个时候,诞生了荷兰ASML公司。1980年代初,当他们搬迁到靠近埃因霍温飞利浦园区一处建议小房子时,ASML的创始人想象不到30年后他们会成为全球半导体创新的领袖。1984年4月1日,电子巨人荷兰飞利浦公司与荷兰先进半导体材料国际ASMI公司(1964年由Arthur del Prado创办,从代理起家逐步进入设备自己研发生产)各自出资210万美元合作成立了一家专注于开发光刻系统的公司,名字叫做ASM光刻,也就是今天的ASML,公司最初只有31名员工。公司成立的第一年,就推出了第一套光刻系统PAS2000 步进型。当然,这套系统并不是凭空而来,飞利浦关于光刻系统的研发工作早在1970年代初就开始了,事实上飞利浦最初的注资中有180万美元就是用尚未研发完成的PAS2000充当的。1985年,公司发展到100多员工,搬入位于Veldhoven新建的厂房,这个地方距离飞利浦研发实验室只有几公里远。1986年,公司推出改进了对准系统的PAS 2500步进型,奠定了随后多项技术创新的基础。也在那一年,ASML同卡尔蔡司(Carl Zeiss)公司建立了稳定的合作关系。

光刻机的发展与荷兰ASML公司的故事


          ASML最初的创业地点(图片来自光刻机之战)
1988年,ASML的国际化拓展初见成功。他们跟随飞利浦在台湾的合资流片工厂台积电开拓了亚洲业务,在美国的员工数增加到84人,建立了五个办公室。1988年,刚刚完成设备安装的台积电一场大火为ASML送来急需的17台光刻机订单。
尽管如此,初创期的ASML还不能完全自立,他们的客户数屈指可数,市场竞争异常激烈。1980年代末恰逢全球半导体市场大滑坡。原先主导光刻机市场的美国光刻机厂商GCA, Ultratech和P&E光刻部先后退出或者缩小规模。日本的尼康和佳能成为主导国际光刻机市场的两雄。就在那个时候,ASML两家股东同样遭遇困难,先是ASMI承受不了巨额投资却不见回报决定退出,飞利浦也宣布庞大的成本削减计划。为了挽救公司,ASML的管理层找到了飞利浦公司董事会成员Henk Bodt,通过他说服其他董事决策为公司再提供一笔资金。
ASML的团队没有辜负飞利浦董事会的信任。1990年,他们推出了PAS 5500,恩施青年网,这一具有业界领先的生产效率和精度的光刻机。PAS 5500也为ASML带来几家关键的客户,包括台积电,三星和现代,这些客户是他们后来实现赢利的关键。1995年,ASML成为阿姆斯特丹和纽约上市公司。飞利浦公司在IPO的时候出售了其受中持有的一半ASML股份,又在随后几年将其他股份抛售。上市为ASML带来所需要的资金,支持他们进一步扩大研发和生产规模。他们扩建了位于Veldhoven的De Run厂房,这里后来成为公司新总部所在。
2001年,AMSL推出TWINSCAN系统和革命性的双段(dual-stage)技术,在对一块晶圆曝光的同时测量对准另外一块晶圆,从而大大提升了系统的生产效率和精确率。2003年,TWINSCAN AT:1150i成为首台浸入式设备,2006年首台量产的浸入式设备TWINSCAN XT:1700i发布,2007年,首个193nm的浸入式系统TWINSCAN XT:1900i发布。这些创新的系统让客户可以生产更小尺寸的芯片,其特点是可以让光经过透镜组和晶圆之间的一层水实现投影。
浸入式光刻技术来自台积电的林本坚博士一个建议。在那之前,全球的半导体工业都为超越193nm光刻绞尽脑汁,但是先后失败。只有林博士提出的这个工程师相对简单的办法最后成功。从那以后,浸入式光刻一直做到如今的7nm。正是凭借浸入式光刻的突破,让ASML超越尼康,一跃成为全球光刻机市场的新霸主。
接下来光刻机的竞争进入EUV(极深紫外)时代。目前全球最先进的EUV光刻工艺使用的是13nm光源,能够满足7nm线宽制程工艺的要求。全球能够达到这种水平的光刻机制造商暂时只有一家——ASML。
2001年,ASML收购美国硅谷集团SVG,获得关键的157nm光学技术,也因此得以进入美国市场。2007年,ASML收购领先的半导体设计和制造优化解决方案提供商BRION,开启整体(Holistic)光刻战略。2008年,又首次发售支持实时测试纠正的YieldStar(250D)系统,在整体光刻上更进一步。2010年,ASML首次发售概念性的EUV光刻系统NXW:3100,客户是一家亚洲流片公司的研发机构,从而开启光刻系统的新时代。EUV光刻采用更短波长的光来制造更小特征尺寸,更快也更强大的芯片。
2013年,ASML收购美国加州圣地亚哥的光刻光源厂商Cymer,加快EUV系统研发,同年,ASML发售第二代EUV系统NXE:3300,2015年又推出第三代EUV系统NXE:3350。2016年,第一批面向制造的EUV系统NXE:3400开始批量发售给客户。在这个时候,ASML继续改进浸入式光刻技术,先后推出NXT1970Ci和NXT1980Di,这两款设备被全球的半导体工业广泛部署。
2016年,ASML进一步扩展整体光刻产品线,并购台湾Hermes Microvision(HMI)公司,一家领先的电子束计量公司,并在一年后成功推出整合两家公司技术的ePfm5系统。在荷兰电子束光刻公司Mapper破产后,ASML收购了其IP资产,还延揽了其研发人员。

光刻机的发展与荷兰ASML公司的故事


纵观光刻机产业的历史和ASML的发展故事,我们可以看到,坚持,对新技术趋势的准确判断与把握,持续不断的研发投入,充足的资本保障是ASML能在30多年时间里从小到大,一跃成为全球光刻机行业龙头的关键要素。和ASML同时起步,甚至更早的上海微电子(SMEE)的光刻机却没有发展起来。他们的对比,值得所有做产业研究的深思。

*本文的素材来自网文“光刻机之战”以及ASML网站。

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