光刻機(jī)：美國是如何發(fā)明并徹底失去的？
2021-11-05 12:49:23 EETOP從 1984年與飛利浦的合資企業(yè)開始，ASML 已經(jīng)發(fā)展成為世界第二大芯片設(shè)備制造商，以及 EUV 光刻機(jī)的唯一供應(yīng)商。
作為半導(dǎo)體的發(fā)源地，事實(shí)上半導(dǎo)體光刻理所應(yīng)當(dāng)是美國發(fā)明的。目前全球前十大半導(dǎo)體設(shè)備廠，美國就占據(jù)了4家，生產(chǎn)出全球超過半數(shù)的半導(dǎo)體制造設(shè)備。但是美國卻無法制造光刻機(jī)，那么美國是如何失去了半導(dǎo)體制造過程中這一最重要的部分的？
本文基于對仙童、DavidW Mann Co、Cobilt、GCA、尼康和硅谷集團(tuán) (SVG) 等先驅(qū)的采訪，做出分析。
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晶片上。50年代后期，仙童半導(dǎo)體改進(jìn)了工藝以制造晶體管。
“我們決定使用光刻膠來描繪這些區(qū)域”仙童最初的八位聯(lián)合創(chuàng)始人之一杰伊·拉斯特（Jay Last）說。（注：杰伊·拉斯特和鮑勃·諾伊斯等被稱為八叛逆）
“貝爾實(shí)驗(yàn)室在那里做了一些努力，并認(rèn)為這是不可能的，所以他們從未追求過。鮑勃 [諾伊斯] 和我與柯達(dá)合作，他們給了我們當(dāng)時(shí)最好的抗蝕劑，我們逐漸與他們建立了工作關(guān)系，抗蝕劑不斷改進(jìn)。
“有很多技術(shù)問題和技術(shù)挫折，但我們只是說我們要使用它，我們必須讓它發(fā)揮作用——我們做到了。”
在20世紀(jì)60年代，接觸式掩膜對準(zhǔn)器被用于晶圓印刷，Kulicke & Soffa是第一個(gè)將其引入商業(yè)化的公司。后來，Kasper儀器公司成為主導(dǎo)供應(yīng)商，但當(dāng)三位前Kasper工程師成立了他們自己的公司，名為Cobilt--并且在1972年被總部設(shè)在波士頓的CAD巨頭Computervision收購--一個(gè)新的晶圓印刷模式出現(xiàn)了。
"Cobilt公司生產(chǎn)的機(jī)械對準(zhǔn)器，其打印半導(dǎo)體晶圓的技術(shù)比當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)要好一些。而Computervision公司有一套自動(dòng)對準(zhǔn)系統(tǒng)，可以讓你更準(zhǔn)確地對準(zhǔn)各層。"Sam Harrell說，他從Computervison公司調(diào)到西海岸，成為Cobilt公司的工程副總裁。
"我們在世界各地銷售了數(shù)百臺機(jī)器。在投影打印占據(jù)主導(dǎo)地位之前，它真的是統(tǒng)治者。"
在加入Cobilt之前，Ed Segal在Kasper銷售對準(zhǔn)器，他看到了當(dāng)Perkin-Elmer開發(fā)出投影掩膜對準(zhǔn)器時(shí)，目睹le Cobilt是如何失去其領(lǐng)先地位的。
Segal說："當(dāng)掩膜對準(zhǔn)器從接觸掩膜對準(zhǔn)器進(jìn)入下一階段，即所謂的投影對準(zhǔn)器，或在晶圓上投影掩膜圖像時(shí)，Perkin-Elmer完全進(jìn)入并占領(lǐng)了這個(gè)市場。" Cobilt也試圖建造一個(gè)，但它確實(shí)遭到了非常大的失敗。該公司最終在1981年被賣給了應(yīng)用材料公司。"
吉姆-加拉格爾（Jim Gallagher）在GCA負(fù)責(zé)半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù)，該公司在80年代將市場讓給日本公司之前是光刻技術(shù)的世界領(lǐng)導(dǎo)者。在尼康和佳能等日本供應(yīng)商成為市場領(lǐng)導(dǎo)者之后，該公司的最終消亡。
"我們開始盡可能地賣掉業(yè)務(wù)。但是，當(dāng)你在走下坡路時(shí)，可以說，那不是開始出售的時(shí)候，因?yàn)槟阏谧龅氖牵總€(gè)人都知道你的問題，他們會給出最低、最低的價(jià)格。所以那是我們滑坡的開始"加拉格爾說。
到20世紀(jì)80年代末，日本步進(jìn)器供應(yīng)商的主導(dǎo)地位讓美國芯片制造商感到擔(dān)憂。為了開發(fā)一個(gè)替代來源，英特爾與一家歐洲公司Censor合作。然而，這一努力失敗了，Censor在1984年被賣給了Perkin-Elmer。
英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登-摩爾回憶起當(dāng)時(shí)的擔(dān)憂。當(dāng)時(shí)佳能和尼康的大型步進(jìn)器都出來了。在美國沒有類似的設(shè)備，而這是整個(gè)過程中的一個(gè)關(guān)鍵部分。
"我們與一家列支敦士登公司[Censor]有一個(gè)重要項(xiàng)目，以制造一個(gè)步進(jìn)器。非常復(fù)雜，但也非常昂貴，而且開發(fā)速度太慢，他們無法真正對市場產(chǎn)生影響。我們最終購買了日本的設(shè)備，因?yàn)樗亲詈玫模覜]有真正的替代來源。”
后來成為尼康首席執(zhí)行官的吉田昌一郎設(shè)計(jì)了該公司的第一臺用于半導(dǎo)體制造的步進(jìn)重復(fù)相機(jī)。
在20世紀(jì)90年代，SVG在新任命的首席執(zhí)行官Papken Der Torossian的帶領(lǐng)下向光刻技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)張。SVG曾試圖收購GCA，但交易從未實(shí)現(xiàn)，GCA在1988年被賣給了General Signal。
然而，DerTorossian 成功地獲得了由Perkin-Elmer 與 IBM 聯(lián)合開發(fā)的下一代步進(jìn)掃描系統(tǒng)Micrascan --但他表示，這需要數(shù)千萬的研發(fā)經(jīng)費(fèi)和兩年半的時(shí)間來修復(fù)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。結(jié)果是Micrascan II。
"他們擁有的機(jī)器無法工作--其平均故障間隔時(shí)間不到一小時(shí)。IBM無法使用它。但它有非常好的基本技術(shù)"他說。
Der Torrossian解釋了現(xiàn)金短缺如何導(dǎo)致錯(cuò)失將先進(jìn)光刻技術(shù)留在美國的機(jī)會。
“在 1992 年，ASML 正在尋找大規(guī)模資金投入。擁有它們的飛利浦找到我，并打算以 6000 萬美元的價(jià)格出售 ASML。當(dāng)時(shí)我沒有 6000 萬美元。我告訴他們，但我會給你同等數(shù)量的股份，讓我們建立一個(gè)合資企業(yè)吧。不過飛利浦拒絕了我，因?yàn)樗麄冃枰氖乾F(xiàn)金。”
到 2001年，ASML 扭轉(zhuǎn)了局面，最終以 16 億美元收購了美國最后一家主要的光刻機(jī)公司 SVG。由于國家安全問題，這筆交易被推遲了幾個(gè)月，但在 ASML同意剝離 SVG 的 Tinsley Labs 部門后，最終得到了喬治·W·布什政府的批準(zhǔn)。
至此美國丟掉了光刻機(jī)！
這幅由 SEMI 于 1980 年委托制作的畫作描繪了光刻先驅(qū)。從左起，Perkin-Elmer 的投影掩模對準(zhǔn)器背后的團(tuán)隊(duì)（Abe Offner、Jere Buckley、David Markel 和 Harold Hemstreet），以及右側(cè)的主要發(fā)明者 Burt Wheeler David W. Mann Co. 的photo repeater
原文：Losing Lithography: How the US Invented, then lost, a Critical Chipmaking Process - Semiwiki
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