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光刻机发展启示录:没有永远的“巨头”

2023-11-03 17:234730

 

 

近年来,随着人们对芯片制造领域的关注不断加深,光刻机也从一种不为人知的先进制造设备,一跃成为大众关注的焦点。

那么,你知道光刻机是如何诞生的吗?在其发展过程中,光刻巨头们都经历了怎样的起落?这对中国企业又有着怎样的启示?

光刻技术的诞生

在光刻技术诞生之前,人类的复杂计算已经可以通过电子计算机“代劳”了。不过,当时计算机的算力十分有限,它们一般使用真空管作为计算单位,打开真空管编号为1,关闭它编号为0。这种设备和灯泡一样,不仅经常容易烧坏,还会吸引昆虫。

1946年,美国研制出当时最先进的计算机“埃尼阿克”,它包含了18000个真空管“开关”,但平均每两天就有一个发生故障,并导致计算机停止运转,而工作人员则需要从18000个真空管里排查出故障源。

计算机“埃尼阿克”

于是,科学家们开始探索更小、更快、更有效率的“开关”。

在美国贝尔实验室工作的物理学家威廉·肖克利意识到,更好的“开关”需要一种更新的材料——半导体,硅或锗这类半导体材料在加入其他材料或施加电场的情况下可以像“阀门”一样工作,这一理论随后得到了证实,于是“晶体管”这一新型“开关”由此诞生。

尽管晶体管很快取代了真空管成为计算机的主要部件,但成千上万个晶体管的布线依然错综复杂。直到1958年,工程师基尔比将多个“晶体管”内置在同一块硅板或锗板上并形成“集成电路”,其效能才大大提升,而集成电路还有另一个名字——芯片。

不过很快,晶体管的小型化又成了一个问题。

其实,早在1955年,贝尔实验室就开始尝试采用光刻技术在硅片上制作更精细复杂的电路了。

坐落于美国新泽西州的贝尔实验室

当时还没有“光刻”这个名词,这项技术被叫作“照相雕版”或者叫“蚀刻”。这主要是因为光刻的原理与照相机类似,不过,照相机拍摄的照片是印在底片上,而光刻技术“刻”的不是照片,而是电路图和其他电子元件。

1958年,美国物理学家杰伊·拉斯罗普和他的助手化学家詹姆斯·奈尔从显微镜中得到启发,即可以通过颠倒显微镜让图像变得更小,并利用这一原理在微小的台面上“打印”复杂的图像。由此,“光刻”技术开始应用于半导体制造。

巨头的成长之路

此后的一段时间,美国都是光刻机行业的引领者。

20世纪60年代,美国GCA公司制造出第一台接触式光刻机,并成为当时的主流产品。

此时,伴随着半导体的应用范围日益广泛,光刻机的市场需求不断上升,作为GCA供应链的日本尼康和佳能也开启了光刻机的研发。

荷兰飞利浦旗下的一家小公司Natlab同样意识到了机遇,并迅速启动了光刻机制造计划,而它正是光刻巨头阿斯麦(ASML)的前身。

1967年,Natlab研制出光刻机原型。由于在精密技术和设备上的优势,Natlab的光刻机在精确度上比同行们表现得更好,实现了位置移动10厘米而位移偏差只有0.1微米的精度。

但是这项技术在当时并没有受到广泛关注,反而是其他层出不穷的技术问题让光刻机的大规模生产变得艰难。

直到20世纪80年代初,美国依旧保持着在光刻机生产领域的优势。1981年,GCA的光刻机销售额已达到1.1亿美元,3年翻了近10倍。

而日本的努力也卓有成效,尼康在1980年推出第一台步进式光刻机,这种高性能光刻机在稳定性和自动化程度上更加优异,并迅速占据市场。

与此同时,Natlab却因为赚不到钱差点被出售。

这时,一家荷兰本地芯片设备厂商ASML(先进半导体材料公司)站了出来。除了光刻机,这家公司还生产一切与芯片制造相关的设备,一旦光刻机被整合到产业链中,效率将大大提升。于是1984年,阿斯麦正式成立。

    

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