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光刻明发的机的发明

使芯片变成 “白菜价”

图1 PE 100团队 | 图源：chiphistory.org

光刻机的发明：法国人Nicephore Niepce通过光照发现能够复制图形，经过一段时间的日晒，其透光部分的沥青就会变得很硬，但在不透光部分则可以用松香和植物油将其洗掉。

莱思罗普从麻省理工大学毕业后，他曾为美国军方设计过迫击炮的近距离炸引信。与仙童的攻城狮一样，此时他和他的助手——化学家詹姆斯纳尔(James Nall)也在为晶体管小型化而努力，在一个夜黑风高的晚上，两人吃完晚饭又跌跌撞撞地回到了实验室，开始头脑风暴坐在一起闲聊，突然他有了一个匪夷所思但又挺正常的想法：既然显微镜可以放大，转过来就可以缩小！此时相机公司柯达（Kodak)出售了一种叫作光致抗蚀剂的化学物质（俗称“光刻胶”），这种物质在受到光照时会发生化学变化。

于是，他用用柯达的光刻胶涂在一块锗上，把显微镜颠倒过来，用一个矩形图案覆盖目镜，光线通过目镜照射矩形图案，倒置的显微镜缩小了矩形图案的尺寸，形成了完美的微缩版。

当光线照射到光刻胶层时，化学结构发生了改变，使其显影时能被溶解，留下一个比任何一团手工蜡都要小得多的矩形小孔，其形状也更精确。聪明伶俐的他发现，加一层超薄的铝，就可以将锗与外部电源连接起来。莱思罗普称这一过程为光刻。1957年，聪明伶俐的莱思罗普立马申请了专利。并获得了漂亮国军方给他的25000美元的奖金，哇塞塞，这专利好值钱，这小伙子好懂得知识变现！放到如今这一篇专利也没有这么值钱的！不得不说，漂亮国还是很重视人才的！他用这笔奖金给家人买了一辆纳什·兰布勒旅行车一起开车去旅行了，想和你一起去土耳其，还有东京和巴黎！真是棒棒哒！贼拉拉带派真拉风！

民兵II号”导弹计划以及阿波罗太空船需要数千甚至数万块集成电路，虽然而光和光刻胶可以解决大规模生产问题，但是以手工焊接导线无法解决芯片制造的机械化和小型化。这需要攻城狮们继续贡献他们的聪明才智！

1958年，27岁的青年才俊张忠谋在喜万年工作三年后，就被TI给挖走了，曾经的他是负责提高喜万年的制造成品率。白天他在工厂里搬砖，哦不是熟悉喜万年的生产工艺，晚上学习当时的圣经肖克利的《半导体中的电子和空穴》(Electrons and Holes in Semiconductors)。

对就是那个创办第一个公司的，发明晶体管并获得1956年的诺贝尔物理学奖的那个，肖克利45岁就获得了诺贝尔物理学奖，真是牛13啊，还有谁？这么能打！那必须是有点小骄傲的！毕竟也是麻省理工大学毕业的青年才俊，然而他成立的肖克利实验室，雇佣的聪明伶俐的青年跟他说想要搞集成电路时被他毫不留情的拒绝了，于是这8个人也毫不留情的想都没想的毅然决然的出走了创办了仙童半导体！后来缺少英才肖克利被迫关了他的实验室仅存了8年，1963年也就是他52的时候去了斯坦福教书了，不管怎么说，他也为半导体事业打好了第一块基石，没有他，哪有后来人的丰功伟绩！

图2，肖克利博士，来源百度

张忠谋与莱思罗普同期来到TI，负责晶体管的生产线。离开上海后，张忠谋先是去了香港，然后又去了波士顿。他被哈佛大学录取，成为当时大学一年级里唯一的国内学生，好厉害，学习莎士比亚文学！To be or not to be，its a question！但是出于职业敏感度的他认为机械工程比英国文学更靠谱更有潜力，所以他选择了to be the麻省理工学院，与莱斯罗普成为了校友！

图3，青年才俊张忠谋意气风发，来源百度

毕业后，张忠谋被喜万年(Sylvania)聘用。喜万年是一家大型电子公司，他负责经营一条用于IBM电脑的晶体管生产线，当时TI的成品率几乎为零。几乎所有产品都有缺陷，会导致电路短路或故障，因而不得不被扔掉。到达TI后，他开始发挥头脑风暴疯狂做实验发挥他那理工科的专业思维，通过调整温度，压力，做window 拉偏实验以及device corner。他的直觉总是那么的稳准狠，他坐在那里，吸烟斗，透过烟雾静静的看着你就像一个佛陀。而透过在烟雾的背后，是一个无与伦比聪明伶俐的大脑。对固体物理学的足够了解是他的底气！一名下属回忆道：“张忠谋对待员工非常苛刻，如果你没有被张忠谋折磨过，你就没有在TI工作过。”功夫不负有心人，来到TI仅短短几个月内，他就将良率从0提升到25%。很快，他就引起了IBM高层的重视，他被任命为TI整个集成电路业务的负责人。

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漂亮国GCA的

高光时刻

20世纪70年代末，珀金埃尔默公司的扫描式光刻机主导了光刻市场，但到了80年代，它被GCA公司取代。GCA公司由一位前空军军官领导。他后来成为地球物理学家，名叫米尔特·格林伯格(Milt Greenberg)，第二次世界大战后，格林伯格和一位空军伙伴利用洛克菲勒兄弟的种子资金成立了GCA。

在一次行业会议上，GCA正在宣传自家产品，已经40多岁的TI的张忠谋走到GCA展台前，开始查看GCA的设备，并询问设备是否可以一步一步地移动，从而逐个将硅片上的每个芯片曝光，而不是一次扫描整个晶圆。这样的“步进式光刻机”比当时已有的扫描式准确得多。虽然以前从来没有设计过这种，但GCA的攻城狮觉得，我不要你觉得，我要我觉得，why not，may be we can！几年后的1978年，GCA推出了第一台步进式光刻机。订单开始滚滚而来。在这种步进式光刻机出现之前，GCA每年的军事合同收入从未超过5000万美元，直到GCA垄断了这种价值极高的机器，其收入很快达到3亿美元，公司股票价格也开始飙升！

图4 GCA的步进式光刻机DSW 4800 | 图源：chiphistory.org

期间，美国几个厂家你追我赶，体现出在这一时期，美国在光刻领域强大的科技实力和创新力。这是属于漂亮国的高光时刻，然后，幸福总是短暂的！

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日本光刻机

偷偷逆袭成功

图5 1980年2月，NSR-1010G问世 | 图源：nikon

正当两家美国厂商打的火热的时候，背后的尼康开始发力，神不知鬼不觉的偷偷从GCA获得了一台机器，对其进行了逆向工程。不久，日本就做出来了光刻机。1982年，在IBM和德仪的工厂里，出现了一台来自日本的光刻机。不管是光学系统，还是硅片工件台，看上去都和GCA的步进式光刻机相差无几，这就是尼康当年推出的NSR-1010G。不得不说，小日本这方面还是蛮厉害的，抄作业抄的真是贼拉拉6啊！直接把老师给打败了！不禁让我想起他们自己国内也抄作业，就像本田原来只是一个，造发动机活塞环的给丰田供货的小老弟，本田宗一郎在1934年创办了东海精机公司，后来他又造摩托车，后来慢慢造货车，小跑车，慢慢发现到1972年的思域，1976年的雅阁！一步步麻痹对手，超越丰田当大哥！

图6，​本田助力自行车，来源三分钟漫画汽车史

当时的日本举全国之力大力发展半导体，1982年，政府每年投入180亿日元，组织了包括东芝、日立、富士通、三菱电机和日本电气在内最大的五家半导体厂家，形成技术联盟，要求这些竞争对手放下隔阂，集中力量办大事，光刻技术和设备就是其中需要重点突破的难题。作为老牌光学厂商的尼康和佳能，开始了各自的光刻机研发任务。

1982年，美国人惊讶的发现，尼康的 “山寨” 光刻机居然有不输GCA的性能，尤其是镜头稳定性和自动化程度更在GCA之上，更重要的是日本的服务态度，绝非傲慢的美系厂商可以比。在IBM使用尼康步进式光刻机之前，IBM期望的机器平均无故障时间是75小时，而尼康的平均无故障时间是它的十倍。1984年，另外一家日本光刻机厂商佳能，也推出了自己的首款步进式光刻机FPA-1500FA。

金钱是万能的，但也不是万能的，有了钱人就飘了！只见他花在经营企业上的时间较少，更多的是与政客们来往。管理不善，成本失控。一名员工竟在衣橱里偶然发现了价值100万美元的精密镜片。车间里流传的都是高管们用公司信用卡购买科尔维特(Corvettes)超级跑车的八卦。公司花钱毫无节制就像“喝醉了的水手”。服务也不到位，该公司的态度是“买我们造的东西就行了，不要烦我们”。该公司自己的员工承认“客户受够了”。

GCA因为镜头提供商蔡司出现的质量问题延期交货导致客户对其失去耐心！且其售后服务态度没有日本的好！1985年，尼康正式超过GCA，成为业界第一大光刻机供应商。这一年，GCA大亏1.45亿美金，次年放弃低端机型，断臂求生，把全部身价压在高端机上，尽管他去找了美国五角大楼求助美国大佬，但是回天无术，资金链断裂，已经无法支撑后续研发，蔡司的退出合作也给了GCA致命一击。1988年，走投无路的GCA年出售给 General Signal。过了几年GCA找不到买主被关闭，当年美系光刻机龙头就此消亡。

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漂亮国开始反击

1980年代的日系厂商，不仅在光刻机领域把美系厂商按在地上摩擦，在内存等其他芯片市场也攻城略地，日本靠着低价格高品质，打得美国硅谷芯片公司节节败退。那些年无论德仪，还是仙童，还是AMD都是泥菩萨过江自身难保，英特尔甚至因为退出内存市场被迫裁员2000多人。索尼的盛田昭夫曾经写了一本书《日本可以说不》试图打败美国，不当小弟我想当大哥，进一步取得半导体芯片行业的话语权。可是美国人怎么能让你当大哥呢？！！！

图7，盛田昭夫，图片来源百度

​天有不测风云，好景不长。1985年，美国逼迫日本签署《广场协议》。紧接着，1986年9月《美日半导体协议》出台，对日本芯片强制征收100%的惩罚性关税，同时美国又扶持国内台湾和韩国的公司。英特尔授权韩国三星，开始搞日本！

在台湾台积电代工以及韩国内存的进攻下，日系企业在内存以及先进数字芯片制造方面节节败退。

盛田昭夫在1993年中风，引发了严重的健康问题。退出了公众视野，在夏威夷度过了他的后半生，1999年曾经辉煌一生都他去世了。曾一起合著出书的石原慎太郎一直坚持认为，日本需要在世界舞台上展现自己。1994年，他出版了《亚洲可以说“不”》(The Asia That Can Say No)。几年后，他又出版了《日本可以再次说“不”》(The Japan That Can Say No Again)。但对大多数日本人来说，石原慎太郎的观点已不再有意义。而面对美国的复苏，日本的半导体公司在20世纪90年代一直在萎缩，此时已经没有了第二个盛田昭夫，日本挑战美国霸权的技术基础开始崩溃。

2012年，日系内存最后的独苗尔必达公司被美光以25亿美金的白菜价收购。2017年东芝存储也因为东芝集团自身的财务问题，最终被美系资本收购控股后改名铠侠，曾经辉煌一时的日系存储消失殆尽。

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台积电和ASML一起成长

图8 1984年，成立之初的阿斯麦 | 图源：youtube

1985年，国内台湾地区经济负责人李国鼎把张忠谋叫进了他在台北的办公室。他想说服TI在台湾岛建造第一座半导体工厂，并直接告诉他，需要多少钱，告诉我就好，我来搞定！在TI工作了20多年后，张忠谋没有被聘为首席执行官，20世纪80年代初离开了该公司。后来他去纽约的通用仪器(General Instrument)干了一年也不满意，很快就辞职了。

他想要的TI首席执行官职位将使他在芯片行业处于领先地位，他觉得自己与罗伯特·诺伊斯或戈登·摩尔不相上下，虽然他是德州仪器的三号人物，可是不想当1号人物的负责人不是好攻城狮！此处不留爷，自有留爷处。天生我才必有用，仰天大笑出门去，我辈岂是蓬蒿人！ 当台湾打电话给他，提出让他负责台湾芯片产业，并提供一张空白支票来资助他的计划时，张忠谋发现这个提议很有意思并欣然接受。时年54岁的他正在寻找新的挑战。他并不想急于退休！就像他当时无法预料几年之后又开启了第二春取了郭台铭的表姐比自己小13岁的女秘书！

图9 张忠谋与张淑芬，图片来源百度

与日本的策略一样，台积电，是举全台湾之力来发展的半导体芯片事业！早在TI的时候，张忠谋就想发展fab和fabless分开的事业，但被之前的同事拒绝了！这次他去向前同事寻求只是授权又被拒绝了！很显然，他们不是他真正的盆友，虽然一起共事了二十多年！ 功夫不负有心人，张忠谋说服了荷兰半导体公司飞利浦出资5800万，转让生产技术，而且知识授权，获得了台积电27.5%的股份！其余的钱，也从台湾的富豪那里得来的！

1980年代初，自身财务状况不佳的飞利浦思来想去最后决定关停自己的光刻机项目，于是去美国找Perkins Elmer、GCA、Cobilt、IBM等公司谈了一圈，但是没人愿意合作。1984年4月1日，飞利浦终于联合芯片机器制造商 Advanced Semiconductor Materials International（ASMI）成立一家新公司阿斯麦，就在荷兰埃因霍温飞利浦办公室附近的漏雨厂棚里。凭着1970年代开始研发的一些技术积累，阿斯麦同年发布了第一台光刻机PAS 2000。当时，阿斯麦的光刻机无人问津。唯一买过几台的还是Elcoma，它是飞利浦半导体和材料事业部，算自己人照顾一下。1986 年，采用新的对齐技术的 PAS2500 步进机推向市场。同年，阿斯麦与镜头制造商 Carl Zeiss 建立了合作伙伴关系。之后，阿斯麦挺进亚洲市场，1987年台积电诞生，为台湾工研院和飞利浦的合资公司。

20世纪80年代和90年代，阿斯麦在日本和美国之间的贸易争端中被视为中立。美国公司将阿斯麦视为尼康和佳能值得信赖的替代者。例如，当美国DRAM初创公司美光想要购买光刻机时，它转向了阿斯麦，而不是依赖两个主要的日本供应商，这两个供应商都与美光在日本的DRAM竞争对手有着千丝万缕的联系。

阿斯麦从飞利浦分拆出来的历史也以惊人的方式促进了与台积电的深厚关系。飞利浦一直是台积电的基石投资者，曾将其制造工艺技术和知识产权转让给初创的台积电。这给了阿斯麦一个内置市场，因为台积电的晶圆厂是围绕飞利浦的制造工艺设计的。1989年，台积电晶圆厂的一场意外火灾也在一定程度上起了推动作用，台积电因此购买了另外19台新的光刻机，这些费用由火灾保险支付。阿斯麦和台积电最初都是芯片行业边缘的小公司，但它们共同成长，形成了一种伙伴关系。如果没有这种伙伴关系，那么如今的计算技术进步将停滞不前。

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漂亮国围攻国内大陆

美光起诉联华电子和晋华侵犯其专利，联华电子和晋华在福建进行了反诉。福建一家法院裁定，美光侵犯联华电子和晋华的专利。为了惩罚美光，福州中级人民法院禁止美光在国内这个公司最大的市场销售26种产品。

一些分析人士认为，晋华只需几年时间就可以大规模生产DRAM芯片。此时，如果美光重回国内，那么美光也无关紧要了。如果此案发生在奥巴马执政时期，除了严正声明，不会有其他措施。美光去寻找特朗普的帮助！在与日本强大的经济产业省的官员进行了详细磋商后，特朗普政府确信东京支持对晋华采取强硬行动，并将确保日本公司不会削弱美国对晋华的限制。这给了美国一个强大的“新工具”，可以让世界任何地方的任何芯片制造商破产。 在晋华向为其提供关键芯片制造工具的美国公司支付票据后，美国禁止设备出口。几个月后，晋华的生产停滞。

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迈进EUV

EUV也就是极紫外光，在电磁波谱中，极紫外光是紫外区能量最高的部分，它的波长范围为100纳米到10纳米，低于深紫外光，再往下就是 10nm的X射线了，属于电离辐射区。如果世界没有EUV会怎么样？也许就永远卡在7nm工艺了。

现在阿斯麦的NXE系列的EUV光刻机一台要卖到一亿多美金，高NA版本的EXE 5000系列已经要卖3～4亿美金一台。

为了研发EUV系统，阿斯麦前前后后在将近20年时间内投入上百亿美金的研发费用。其实，阿斯麦完全可以继续躺在DUV光刻机上赚钱，但荷兰人依然保持初衷，拒绝躺平！

EUV光有个最大的问题是无法穿过任何物体，包括空气。所以机器内部得抽成高真空状态，为此当年阿斯麦和蔡司花了巨资共同建立了一座全球最大的真空腔体实验室，来模拟真空环境下遇到的各种问题。

对EUV光刻机而言，如何产生光源以及控制光路前进的镜头部分也是两大挑战。

13.5nm的EUV光无法穿过透镜，因此物镜系统变成了反射镜片。而现实世界中没有任何材料可以在单层中反射大部分EUV 光，因此蔡司设计了一种由钼（部分反射EUV光）和硅（对EUV大部分透明）交替组成纳米层的反射镜，用来反射并控制EUV光路。

这些反射镜片的制造工艺相当复杂，不同材料用镀膜工艺一层层叠起来，多达数十层。其表面需要几乎完美光滑和干净，每个纳米层都需要具有精确定义的厚度，其表面误差在0.01nm以内，相当于北京到上海做根铁轨，起伏不超过 1 毫米。

2006年，阿斯麦实验室里出现了EUV的原型机，四年后的2010年，在阿斯麦手中诞生的人类第一台EUV工程样机：NXE 3100。

图10 EUV光刻 | 图源：asml

第一台试验型EUV光刻机设计了13片反射镜，随后减少了到9片，由于每次反射有损耗，9次反射后剩余能量只有可怜的1.007%。9片反射镜已经是极限，没法再少了，再少分辨率就不行了。

所以第一台验证机NXE 3100只能做到每小时曝光30片，这当然是无法满足客户要求。想要增加产能，就必须增大光源功率。

当时阿斯麦的光源供应商是美国公司Cymer。在研发EUV光源的时候Cymer压根就觉得，这是一项不可能完成的任务，比较敷衍，最开始光源只有30W功率，一小时根本曝光不了几片晶圆，弄了几年还是原地踏步。

看不下去Cymer磨洋工后，2012年阿斯麦以26亿美金收购了Cymer，让Cymer成为阿斯麦的子公司。花了无数心血后，最终把光源功率从30W硬是弄到250W，就这样产能提高到了每小时125片，勉强能达到商用标准。

EUV光源产生方式不同于此前的准分子激光器。为了产生波长13.5nm超短波长的光，科学家们想了一个办法：用波长为9.2-10.8微米的二氧化碳激光器去连续轰击从空中掉落的金属锡液滴，这个锡滴直径只有不到13微米，锡滴受激汽化后就能产生所需的13.5nm的光。

第一次脉冲轰击把锡滴压平变成饼状，受光面积变大；第二次轰击饼状的锡滴将其汽化，两次高能激光脉冲可将该锡滴瞬间加热至50000K，从而使锡原子加至高能态，并回归至基态释放出13.5nm的紫外光子。

为了保证光的持续性和强度，这个锡滴从喷射被喷出的频率是每秒5万滴，因为是分两次轰击，因此等于一秒内精确打中锡滴十万次，分毫不差。

在解决一系列难题后，EUV光刻机终于被小心翼翼地搬入各大晶圆工厂，开始为芯片制造工序中最核心的光刻工艺工作，于是有了现在的7nm、5nm芯片。甚至未来的3nm，2nm，1nm，也将由EUV光刻机来生产。

阿斯麦在EUV上的成功，也彻底断了尼康的一切念想。在光刻机市场，阿斯麦占到90%以上，尼康在角落里苟延残喘，佳能早就不玩高端光刻机了，只在更低端的领域混口饭吃。

尼康虽然在光刻机市场竞争中目前败于阿斯麦，但仍然是光刻机界的主要玩家,且尼康的其它产品非常多，也很成功。

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国产光刻机的曙光

上海微电子作为国内唯一拥有光刻机全套设备的企业，能生产制程为90nm的光刻机。虽然比5nm还是落后，但是可以填补空白。 其在后道光刻机领域的技术更为突出，能生产出适用于2.5D/3D先进封装的光刻机。

图11 国产光刻机，图源百度

比如华卓精科，自主研发了光刻机核心子系统双工件台，可用于65-28nm浸没式光刻机，这直接打破了ASML的技术垄断，成为全球第二家掌握该项核心技术的公司。

图12，华卓精科，来源百度

​还有科益虹源，攻克了DUV的ArF光源，即浸没式193nm准分子激光器，还在攻坚13.5nm EUV光源，已是国内唯一、全球第三的高能准分子激光器研发制造企业。

还有国望光学，正在攻关28nm节点的ArF浸没式光刻曝光光学系统，进行很顺利。

值得一提的是，“国防七子”之一的哈工大也在助力国产光刻机研发。今年2月，哈工大就成功研制出了高速超精密极光干涉仪，获得世界光子大会“金燧奖”金奖。

该技术可以应用于350nm至28nm工艺的光刻机，为国产光刻机提供了技术支撑。

今年4月，哈工大再有新突破，成功研发出“电能转化等离子体线路”技术，可以实现DPP-EUV光源。虽然跟ASML的EUV所需光源标准还有差距，但技术实现了。

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后记

戈登摩尔今年2023年3月24日，94岁仙逝前的2022年，以个人财富95亿美元位列福布斯富豪榜的第214位。

台湾有自己的硅盾，苹果是台积电的第一大客户，华为是第二大客户，漂亮国一直想把台积电纳入囊中，虽然台积电在美国建厂。但是其核心的5nm之下的技术还是在台湾这座小岛上生产研发！而国内大陆在国际上的高科技盟友何其少！漂亮国不断的联合日韩等打压国内大陆！国内大陆虽然有大基金的投入，但也不免有像汉芯，弘芯这样的骗子公司！资金远远不够，设备，自主研发，国产光刻机，国产晶圆，国产光刻胶，国产半导体材料远远不够！

如今经济全球化，ASML就是全球化的产物！国内大陆也无法被完全封控，别的国家也无法放弃国内！革命尚未成功，同志仍需努力！继续加油吧，国内半导体事业！以及正在为半导体事业而努力奋斗的每一位攻城狮！

本文参考了：

克里斯米勒的《芯片战争》

对华禁售的阿斯麦高端光刻机，凭什么做到了 “一家独大”?

科技强哥说：哈工大再有突破！外媒：国内光刻机拼图快全了

数码小太阳：取消321亿订单，中企搬入首台国产光刻机，外媒：盖茨说对了

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