2017年4月,尼康向阿斯麦尔和蔡司发起法律诉讼,指责它们未经允许就将尼康的微影技术用在阿斯麦尔的光刻机当中,要求赔偿损失并停止出售应用该技术的光刻机。英特尔为避免麻烦,取消了阿斯麦尔1亿美元的订单。该案子在两年后取得和解,阿斯麦尔和蔡司一共支付给了尼康1.5亿欧元赔偿。此外,从最终协议签署当天起的未来十年,尼康与阿斯麦尔需支付各自浸没式光刻机销售收入的0.8%作为专利授权费用给对方。这一条款当然对营收要低很多的尼康更有利。这一事件表明,阿斯麦尔虽然已取得高端光刻机的多数市场份额,但并未取得绝对的优势。阿斯麦尔要想彻底称霸光刻机市场,还得拿下极紫外线光刻方案才行。
使用浸没式光刻方案,193纳米波长的浸没式光刻机能做到的极限分辨率是10纳米(相当于台积电的7纳米制程)。再往前,就只能用极紫外线光刻。极紫外线的波长是多少呢?
仅仅13.5纳米!
极紫外线光刻机的开发难度有多大?
极紫外线算是软X光,几乎能被任何介质吸收,所以不能穿过水——浸没式光刻方案用不上了;不能穿过空气,光刻机内部得做成真空的;也不能穿过透镜,传统光刻机用到的透镜技术全部得推倒重来。
光刻机需要用反射镜来传导光线。极紫外线的反射效率很低,每反射一次就要损失30%的能量,极紫外线需要经过十几次反射后才能到达晶圆,能量仅剩不足2%。这就需要非常强大的光源,而且对光的集中度要求极高,相当于拿个手电照到月球上所产生的光斑都不得超过一枚硬币大小。反射镜的工艺精度要求极高,直径30厘米的反射镜要求起伏不到0.3纳米,这相当于是做一条从北京到上海的铁轨,要求起伏不超过1毫米。或者用韦尼克的话来说:“如果反射镜面积有整个德国大,最高的突起处不能高于1厘米。”这些镜片需要利用高纯度透光材料和高质量的抛光工艺才能加工而成,这需要数十年乃至上百年的时间的技术沉淀,才能成就皮米尺度的精加工。
此外,过短波长的绕射现象会造成掩膜、晶圆边缘过度曝光,极紫外光对配套的抗蚀剂和防护膜的要求很高,这些问题都会导致芯片产品合格率不佳和光刻机的频繁检测,需要想办法克服。
这些技术难题造成极紫外线光刻机的研发速度大大不及预期,极紫外线光刻机几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。
如果把摩尔定律视为一种信仰,那英特尔就是它的祭司。大概因为摩尔创建了英特尔,英特尔将延续摩尔定律视为它的使命,自格鲁夫之后的每任英特尔首席执行官在离任时都会欣慰地表示:至少摩尔定律没在自己手上搞砸了。所以,英特尔绝对是极紫外线光刻最坚定的支持者。早在1997年,为了尝试突破193纳米,英特尔就提出了激进的极紫外线光刻方案,并说服了对高科技十分开明的克林顿政府组建了一个叫EUV LLC[1]的联盟。联盟中的名字个个如雷贯耳:除了英特尔和牵头的美国能源部以外,还有摩托罗拉、超威、IBM、美光和英飞凌,以及能源部下属三大国家实验室——劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利实验室。这些实验室是美国科技发展的幕后英雄,它们的研究覆盖各种前沿高科技,从核武器、超级计算机到国家点火装置(俗称人造太阳)等。
可以看出,美国政府对这个项目是非常重视的。很自然,美国的实验室和公司构成了联盟的主体。而英特尔一向保持着最开放的心态,它看中阿斯麦尔和尼康在光刻机领域的经验,想拉它们入伙。但白宫将极紫外线光刻视为推动本国半导体产业发展的核心技术,认为如此重要的先进技术研发不该邀外国公司入局。可是,联盟中的美国光刻机企业硅谷集团和优特早在20世纪80年代就被尼康打得七零八落,根本烂泥扶不上墙。极紫外线光刻机的研发不能没有第一流的光刻机厂的参与。(www.xing528.com)
那么,尼康和阿斯麦尔,一个是如日中天的行业老大,另一个才刚刚崭露头角,该选哪一家呢?
答案本来没有悬念,当然应该是技术力量雄厚的尼康。但问题在于,美国才与日本打完半导体战争,美国自然不会情愿把关键技术授权给日本,再给日本扼住美国半导体产业咽喉的机会。因此,美国一直对尼康持警惕态度。1989年,尼康试图收购曾经的全球光刻机领头羊珀金埃尔默公司的光刻业务,在美国一片强烈反对的声音下,珀金埃尔默公司最后把光刻业务卖给了硅谷集团。1998年,一份提交给美国国会的关于美国能源部与英特尔的合作研发协议(DOE-Intel CRADA)的报告中,有专家提出这样的担忧:“尼康可能会将技术转移回日本,从而彻底消灭美国光刻机产业。”
关键时刻,阿斯麦尔大表忠诚,表态在美国建立一所工厂和一个研发中心,以此满足美国本土芯片厂所有的采购需求,还保证55%的零部件要从美国供应商处采购,并接受美国政府的定期审查。最终,美国能源部将尼康拒之门外,选择阿斯麦尔加入EUV LLC,共同参与开发,共享研究成果。
为了巩固自己在联盟中的地位,而且考虑到硅谷集团拥有最成熟的157纳米光学技术——万一浸没式光刻方案失败了还有个备胎,阿斯麦尔于2001年5月报出16亿美元的高价收购市值仅剩10亿美元的硅谷集团。曾经辉煌一时的硅谷集团在光刻机的市场份额仅剩不到8%,年营业额不过2.7亿美元,其193纳米光刻机的水平还远不如阿斯麦尔。所以华尔街认为阿斯麦尔买贵了。而且,由于互联网泡沫破裂,阿斯麦尔销售额锐减40%并大幅度裁员,看起来并不是个乱花钱的时候。阿斯麦尔股价当天暴跌7.5%。
硅谷集团的被收购意味着美国本土企业从此彻底退出光刻机领域的竞争,这也是美国政府很不情愿阿斯麦尔收购硅谷集团的原因。美国外国投资委员会要求硅谷集团的技术和人才都必须留在美国,以防止技术外流,其实阿斯麦尔对此求之不得,它既要享受美国强劲的基础科学带来的巨大好处,又要通过硅谷集团原有的资源在EUV LLC联盟中获得更大的话语权,根本不会想把硅谷集团打包带走。另外,美国外国投资委员会不允许阿斯麦尔收购硅谷集团负责打磨镜片的子公司汀斯利(Tinsley),汀斯利为美国军方和航天公司供应卫星、导弹以及空中照相技术所需要的镜片,是先进半导体制造光学设备的主要供应商。阿斯麦尔对此也不太在乎,毕竟镜头技术不是老美的强项。
从1997年到2003年,EUV LLC的科学家们用了六年时间来回答一个问题:极紫外线光刻有可能实现吗?他们发表了数百篇论文,攻克了在光源、抗蚀剂和防护膜上的3大难题,最终验证了极紫外线光刻机是可行的。
其实,日本、欧洲和韩国也曾探索过极紫外线光刻技术。日本电电早在20世纪80年代就开始研究极紫外线光刻,尼康在1991年也与日立合作研发这一技术。1999年,国际半导体技术路线图将极紫外线光刻确定为下一代光刻技术的首选。这就意味着,谁如果不参与到极紫外线光刻技术研发,谁就将在下一代芯片竞赛中自动弃权。极紫外线光刻一时大热,欧洲有35个国家的大约110家研究单位参与到极紫外线光刻技术的研究中;日本也成立了极紫外线光刻技术系统研究协会;韩国的各研究院及大学也在贸易、工业和能源部的支持下开展极紫外线光刻技术研究。但它们的实力始终无法与汇集了美国顶级科研机构的EUV LLC相比。国际光电工程学会(SPIE)官网如此评价EUV LLC:“如果不是EUV LLC对技术的追求,极紫外线光刻技术就不会成为集成电路制造领域的未来竞争者。”
EUV LLC在完成它的使命以后就解散了。可是,从理论到实际,还有很长的路要走。后面该由谁来牵头?
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