現(xiàn)在,，幾乎無人不識(shí)光刻機(jī),，今天最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)其本與一架新的波音噴氣式客機(jī)一樣高,。在光刻機(jī)的發(fā)展歷程中,，有前赴后繼的各國廠商,，美國發(fā)明,，日本發(fā)揚(yáng),，荷蘭成為最終贏家,。

　　今天我們就要討論下，美國作為光刻技術(shù)的發(fā)明者,，是如何一步步丟失掉半導(dǎo)體制造這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的,。美國光刻技術(shù)的研究，從貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究開始,，到Fairchild的改進(jìn),，再到GCA公司成為第一家制造步進(jìn)設(shè)備的公司，再到Cobilt和P-E公司的不斷發(fā)展演進(jìn),，直到美國最后一家光刻技術(shù)公司SVG被ASML收購,，一個(gè)個(gè)早期的公司相繼被收購,、剝離、解散,，美國逐漸失去了擁有光刻機(jī)的機(jī)會(huì),。

　　始于貝爾實(shí)驗(yàn)室

　　早在1950年代中期，貝爾實(shí)驗(yàn)室就開始嘗試將圖像打印到硅片上,。1955年,，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Jules Andrus和Walter L. Bond開始采用現(xiàn)有的光刻（也稱為光刻）技術(shù)在印刷電路板上制作圖案，使用 Frosch 和 Derick 的二氧化硅層在硅片上產(chǎn)生更精細(xì),、更復(fù)雜的設(shè)計(jì),。在該層上涂上光敏涂層或“抗蝕劑”，并通過光學(xué)掩膜將所需的圖案暴露在該層上,，然后在未暴露的抗蝕劑被沖洗掉的地方,，通過化學(xué)蝕刻確定精確的窗口區(qū)域。雜質(zhì)通過這些開口擴(kuò)散到下面的硅中,，形成半導(dǎo)體器件所需的n型硅和p型硅區(qū)域,。

　　1957年，美國陸軍Diamond Ordnance Fuse實(shí)驗(yàn)室的Jay Lathrop和James Nall在早期嘗試將電子電路小型化時(shí)獲得了光刻技術(shù)的專利,，該技術(shù)用于沉積約200微米寬的薄膜金屬條,，以連接陶瓷基板上的分立晶體管。他們還使用這些技術(shù)在二氧化硅中蝕刻孔以制造二極管陣列,。1959 年,，Lathrop 加入德州儀器，Nall去了Fairchild,。繼這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作之后,，Jay Last 和 Robert Noyce于1958年在Fairchild制造了首批“步進(jìn)重復(fù)”相機(jī)之一，利用光刻技術(shù)在單個(gè)晶圓上制造了許多硅相同的晶體管,。

　　光刻先驅(qū)GCA公司的崛起和沒落

　　GCA 是被稱為光刻的重要芯片制造技術(shù)的先驅(qū),。1959年的今天，GCA收購了David W. Mann,。1961年,，GCA公司的David W. Mann部門是第一家制造商業(yè)步進(jìn)和重復(fù)掩模減少設(shè)備（photo-repeaters）的公司。光中繼器是晶圓步進(jìn)機(jī)的前身,。

　　1975年,，GCA推出了首個(gè)用于抗蝕劑加工的晶圓軌道。1978年,，GCA推出DSW 4800,，第一個(gè)成功的晶圓步進(jìn)器（g線，10X，蔡司0.28NA鏡頭,，10mmX10mm場(chǎng)尺寸）,，價(jià)格在450美元。GCA的早期客戶包括IBM,、ATT,、Fairchild、國家半導(dǎo)體和西門子等,。雖然實(shí)際的發(fā)布是在78年,，但測(cè)試工具是在77年交給IBM的。步進(jìn)器徹底改變了半導(dǎo)體模式,，步進(jìn)顯示了更低的缺陷率,，顯著更好的覆蓋性能，和更好的收率,。然而,，與Perkin Elmer（下文有提到）的投影對(duì)準(zhǔn)儀相比，其吞吐量較低,。256K DRAM這一代產(chǎn)品真正讓步進(jìn)器成為主流光刻工具,。

　　然而，1980年尼康推出日本首個(gè)商用步進(jìn)機(jī)NSR-1010G,。尼康的成功擊敗了GCA,。尼康通過生產(chǎn)比GCA更高分辨率的鏡頭吸引了客戶。尼康能夠以5倍的分辨率的減少實(shí)現(xiàn)1?m的分辨率,，而不是10倍,。有了這個(gè)步進(jìn)器，機(jī)器就不再“慢”了,。GCA想努力趕上這一發(fā)展,，但蔡司是他們唯一的鏡頭供應(yīng)商,，他們很難及時(shí)儲(chǔ)備足夠的材料,。因此，GCA在交付具有競(jìng)爭(zhēng)力的工具時(shí)有所延遲,。GCA也從在日本的步進(jìn)市場(chǎng)份額從1981年的68%下降到1983年的45%左右,。

　　1982年，GCA從Coherent Laser公司購買了Tropel透鏡制造單元,。1985年研發(fā)出了第一臺(tái)為貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的DUV步進(jìn)器,。“GCA當(dāng)時(shí)花了500萬美元開發(fā)第一個(gè)g-line步進(jìn)器,。其i-line步進(jìn)器的開發(fā)成本為2500萬美元,，DUV步進(jìn)器的開發(fā)成本為1.4億美元?！痹?988年的SEMI工業(yè)戰(zhàn)略研討會(huì)（ISS）上Neil Bonke說到,。

　　1985-1986 年,，GCA在兩年內(nèi)損失1億美元，裁員70%,，只有1000人,。1988年，General Signal以7600萬美元收購了陷入財(cái)務(wù)困境的GCA,。隨后,，Sematech資助GCA開發(fā)KrF步進(jìn)器。1993年1月,，General Signal宣布其打算剝離其半導(dǎo)體設(shè)備公司,。1993年5月，因?yàn)闆]有找到買家,，General Signal關(guān)閉GCA,。這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)被轉(zhuǎn)移到集成解決方案公司（ISI），該公司后來在1998年被Ultratech公司收購,。自此,，一代光刻技術(shù)的先驅(qū)者GCA的詩篇就被翻過去了。

　　Cobilt被Perkin-Elmer擠下歷史舞臺(tái)

　　另外一家要說的美國光刻企業(yè)是Cobilt,，在說Cobilt之前,，還有很多背景需要先看下。在1960年代,，接觸式印刷是在IC晶圓上曝光圖案的主要技術(shù),，在60年代早期，芯片制造商開始自己制造設(shè)備,。Kulicke & Soffa（簡(jiǎn)稱：K&S）是第一個(gè)銷售商業(yè)工具的公司,。他們非常成功，在60年代幾乎占據(jù)了100%的市場(chǎng)份額（盡管很?。?。1970年，K&S與Computervision公司合作開發(fā)了第一臺(tái)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)儀,，并在WESCOM展會(huì)上提供,。K&S在出售50多臺(tái)后，對(duì)該事業(yè)失去了興趣,，退出了該事業(yè),。

　　后來，Kasper Instruments成為接觸式對(duì)準(zhǔn)器主要供應(yīng)商,，到1973年,，該公司占領(lǐng)了觸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)器大約一半的市場(chǎng)。接觸式對(duì)準(zhǔn)器使用簡(jiǎn)單快捷，但需要將掩模和晶圓直接接觸,，可能會(huì)損壞掩?；蛭廴揪A。為了解決這些問題,，在1973年引入了接近對(duì)準(zhǔn)器（Proximity aligner）,。從1974年開始，Kasper出售的對(duì)準(zhǔn)器中有將近一半具備這種能力,，但因?yàn)槠洳惶糜?，再加上佳能的?jìng)爭(zhēng)，銷量穩(wěn)步下降,，公司在1981年離開了這個(gè)行業(yè),。

　　然后Kasper Instruments的三位工程師出去創(chuàng)立了一家制造接觸式打印機(jī)的的公司Cobilt。1970年以后,，Cobilt開發(fā)光刻晶圓片track技術(shù),，不過track業(yè)務(wù)最終出售給了日本的東京電子（Tokyo Electron Ltd.），這也成為東京電子track的起源,。

　　Cobilt還制造了機(jī)械對(duì)準(zhǔn)器（mechanical aligners）,，該對(duì)準(zhǔn)器打印半導(dǎo)體晶圓的技術(shù)比當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要好一些，并且該機(jī)器有一個(gè)自動(dòng)對(duì)齊包,，可以讓你更精確地對(duì)齊層,。這種機(jī)器在世界各地銷售了數(shù)百臺(tái)，直到投影打印對(duì)準(zhǔn)器占據(jù)主導(dǎo)地位,。

　　Cobilt之后就是Perkin-Elmer（簡(jiǎn)稱P-E）,，它的崛起也擊敗了Cobilt。1973年,，Perkin-Elmer公司推出了microralign投影掃描儀,，這是一項(xiàng)早期空軍研究合同的成果。當(dāng)掩模對(duì)準(zhǔn)器從接觸式掩模對(duì)準(zhǔn)器進(jìn)入所謂的投影對(duì)準(zhǔn)器,，也就是將掩模的圖像投影到晶圓上時(shí),，P-E公司就完全占領(lǐng)了這個(gè)市場(chǎng)。1979年,，microralign的價(jià)格為17萬美元,。microralign當(dāng)時(shí)售出了2000多臺(tái)機(jī)器,。1981年,，P-E宣布Micralign 500投影機(jī)器每小時(shí)能生產(chǎn)100片晶圓，Micralign 500的價(jià)格為67.5萬美元,。

　　Cobilt曾試圖也建造一個(gè)投影打印的對(duì)準(zhǔn)器,，但卻以失敗告終。1981年，Cobilt光刻曝光工具業(yè)務(wù)被應(yīng)用材料收購,，應(yīng)用材料公司希望通過這種方式將光刻工具添加到他們的產(chǎn)品組合中,，但最終解散了Cobilt部門。

　　到1980年代后期,，日本步進(jìn)供應(yīng)商的主導(dǎo)地位凸顯,，美國芯片制造商開始感到擔(dān)憂，為了開發(fā)光刻領(lǐng)取的替代品,，英特爾與歐洲的一家公司Censor 合作,，但步進(jìn)器的制造非常復(fù)雜且昂貴，而且開發(fā)速度太慢,。而佳能和尼康步進(jìn)機(jī)性能很好,，在美國沒有可比的設(shè)備，最終英特爾選擇購買了日本的設(shè)備,。Censor也于1984年被賣給了 Perkin-Elmer,。

　　1989年4月，P-E宣布將退出半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù),，在IBM和其他五家公司的投資下,，P-E剝離了其電子束光刻部門Etec。接下來就是SVG的故事了,。

　　終于SVG

　　彼時(shí)在1990 年代,，硅谷集團(tuán)（Silicon Valley Group，簡(jiǎn)稱SVG）在新任命的首席執(zhí)行官 Papken Der Torossian的領(lǐng)導(dǎo)下擴(kuò)展到光刻領(lǐng)域,。SVG曾試圖收購GCA,，但交易未成。然而,，SVG卻成功地獲得了P-E與 IBM 聯(lián)合開發(fā)的下一代步進(jìn)掃描系統(tǒng) Micrascan,，于1990年以2000萬美元收購了P-E的光刻業(yè)務(wù)。在惠普和尼康的談判推動(dòng)下,，IBM也對(duì)P-E進(jìn)行了15%的財(cái)務(wù)投資,。

　　但SVG的Der Torossian表示，這需要數(shù)千萬美元的研發(fā)資金和兩年半的時(shí)間才能修復(fù)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤,?！八麄兊臋C(jī)器無法工作，平均故障間隔時(shí)間不到一小時(shí),。IBM 無法使用它,。但它擁有非常好的基礎(chǔ)技術(shù)”。

　　1990-1993年,，Sematech財(cái)團(tuán)花費(fèi)約3000萬美元幫助SVG開發(fā)Micrascan,。1990年,，行業(yè)首個(gè)步進(jìn)掃描工具M(jìn)icrascan問世。1992年6月,，Micrascan II推出,。1993年SVG想與佳能討論共享步進(jìn)掃描技術(shù)。但由于美國政府施壓,，不允許向日本轉(zhuǎn)讓技術(shù),，談判在一年后結(jié)束。然而,，在91- 94年期間,，它每年只賣出不到10臺(tái)。

　　1996年SVG推出Micrascan III,，可切換到準(zhǔn)分子激光源,，NA從0.4 - 0.6不等。1999年引入Micrascan 193工具（NA = 0.6）,。英特爾,、摩托羅拉和德州儀器在1995年總共投資了3000萬美元入股SVG，以加速該工具的開發(fā),。以英特爾和IBM為主要客戶的Micrascan III,，以及隨后的IV和V型號(hào)，每年售出約50臺(tái),，并讓SVG存活了一段時(shí)間,。

　　1980年，美國供應(yīng)商占據(jù)了litho工具市場(chǎng)90%的份額,。到1990年,，它已跌至10%。GCA和Ultratech各占約4-5%,，SVG約1%,。他們甚至落后于最新的競(jìng)爭(zhēng)者ASML。

　　據(jù)SemiWiki的報(bào)道,，1992年當(dāng)時(shí)還隸屬于飛利浦的ASML正在尋求買家,，當(dāng)時(shí)飛利浦找到了SVG的Der Torrossian，欲以6000萬美元的價(jià)格出售ASML,，但當(dāng)時(shí)SVG沒有這么多錢,，希望以股份制建立合資企業(yè)，而飛利浦需要現(xiàn)金?，F(xiàn)金的短缺讓美國喪失了保留先進(jìn)光刻技術(shù)的機(jī)會(huì),。

　　2000年10月兩極反轉(zhuǎn)，ASML宣布意向以16億美元收購SVG,，ASML需要157nm光刻的折射率和CaF技術(shù),。最終在2001年5月,，ASML成功收購了SVG Lithography,。2001年11月,，SVG的Micrascan 248nm和193nm工具停產(chǎn)。美國最后一家主要的光刻公司落幕,。

　　結(jié)語

　　美國在光刻技術(shù)上的衰敗,，受到了來自日本尼康和佳能的阻擊，但誰也沒想到,，就是這么一個(gè)光刻機(jī),，ASML卻潛心專注研究了幾十年，如今無人能敵,。