一文了解光刻的歷史

誰發(fā)明了光刻技術(shù)？

當(dāng)我們現(xiàn)在談?wù)撚嬎銜r，我們傾向于談?wù)撥浖途帉戃浖?a target="_blank">工程師。但是，如果沒有硬件和使其得以創(chuàng)建的物理科學(xué)；光學(xué)、材料科學(xué)和機械工程等學(xué)科，我們就不會有任何進展。正是由于這些領(lǐng)域的進步，我們才能制造出數(shù)字世界中所有1和0所在的芯片。沒有它們，現(xiàn)代計算就不可能實現(xiàn)。

半導(dǎo)體光刻技術(shù)，即負(fù)責(zé)生產(chǎn)計算機芯片的制造工藝，有著70年的歷史淵源。它的起源故事就像今天的工藝一樣簡單和復(fù)雜：該技術(shù)開始于20世紀(jì)50年代中期，當(dāng)時一位名叫杰伊·拉斯羅普 （Jay Lathrop） 的物理學(xué)家把他顯微鏡中的鏡頭倒過來。

拉斯羅普于去年去世，享年 95 歲，如今卻很少有人記得他。但他和他的實驗室伙伴于 1957 年申請專利的光刻工藝改變了世界。光刻方法的穩(wěn)步改進產(chǎn)生了越來越小的電路和以前難以想象的計算能力，改變了整個行業(yè)和我們的日常生活。

如今，光刻技術(shù)已成為一項容錯率極低的大產(chǎn)業(yè)。全球領(lǐng)先的荷蘭公司 ASML 也是歐洲市值最大的科技公司。它的光刻工具依賴于世界上最平坦的鏡子、最強大的商用激光器之一以及比太陽表面爆炸還高的熱度，在硅上刻出微小的形狀，尺寸僅為幾納米。這種納米級的精度反過來又使得制造具有數(shù)百億個晶體管的芯片成為可能。您可能依賴于使用這些超先進光刻工具制造的芯片；在你的手機、你的個人電腦以及處理和存儲你數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，都可以找到它們。

在所有制造芯片的令人難以置信的精密機器中，光刻工具是最關(guān)鍵的，也是最復(fù)雜的。它們需要數(shù)十萬個部件和數(shù)十億美元的投資。但它們不僅是商業(yè)競爭和科學(xué)奇跡的主題；它們還站在控制未來計算能力的地緣政治競爭的中心。計算的下一步走向?qū)⒂晒饪绦袠I(yè)的演變以及為生產(chǎn)更精確的光刻工具而進行的努力決定。該技術(shù)的發(fā)展歷史表明，未來的任何進步都將依賴于更復(fù)雜、更精確的機器，以及更廣泛的供應(yīng)鏈，以生產(chǎn)所需的專門部件。新的光刻系統(tǒng)和部件的開發(fā)速度，以及哪些公司和國家能夠制造這些部件的問題，將不僅決定計算進步的速度，也決定科技行業(yè)內(nèi)的權(quán)力和利潤平衡。

今天的納米級制造業(yè)起源于Lathrop的倒置顯微鏡鏡頭的想法可能看起來不靠譜。但是，光刻技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迅速發(fā)展。它使芯片能夠遵循摩爾定律，集成電路中的晶體管數(shù)量大約每兩年增加一倍的步伐。

Lathrop在20世紀(jì)50年代發(fā)明了這一工藝，當(dāng)時計算機使用的是真空管或晶體管，其體積大到肉眼可見，因此很容易制造，而不必創(chuàng)造全新的一類工具。

他并沒有試圖革新計算機；他后來回憶說，他 “對計算機一無所知”。在20世紀(jì)50年代中期，作為美國陸軍鉆石軍械引信實驗室的一名工程師，他的任務(wù)是設(shè)計一種新的近距離引信，放在直徑只有幾英寸的迫擊炮彈內(nèi)。他的引信所需的部件之一是一個晶體管，但炮彈太小，現(xiàn)有的晶體管很難裝進去。

當(dāng)時，晶體管制造正處于早期階段。晶體管被用作收音機中的放大器，而分立晶體管開始被用于房間大小的計算機。引信實驗室已經(jīng)有一些制造晶體管的設(shè)備，如晶體生長器和擴散爐。但即使在一個先進的武器實驗室，制造晶體管所需的許多材料和工具也必須從頭開始開發(fā)。

這些早期的晶體管是由一整塊化學(xué)元素鍺制成的，上面有不同的材料分層，所以它們類似于沙漠中的丘陵形狀。這些平頂?shù)牟牧蠅K是通過首先用一滴蠟覆蓋一部分鍺而制成的。然后使用一種化學(xué)品，將未被覆蓋的鍺蝕掉。當(dāng)蠟被移除時，只有被覆蓋的鍺被留在后面，坐在一個金屬板上。這個系統(tǒng)對大型晶體管來說效果很好，但將其小型化幾乎是不可能的。蠟以不可預(yù)測的方式滲出，限制了可以蝕刻的鍺的精度。Lathrop和他的實驗室伙伴Jim Nall發(fā)現(xiàn)他們在接近引信方面的進展被溢出的蠟的缺陷所困。

Lathrop花了多年時間通過顯微鏡來使小東西看起來更大。當(dāng)他思考如何使晶體管微型化時，他和Nall想知道顛倒過來的顯微鏡光學(xué)技術(shù)是否能使大的東西，晶體管的圖案，微型化。為了找到答案，他們在一塊鍺材料上覆蓋了一種被稱為光阻的化學(xué)品，他們從伊士曼柯達（Eastman Kodak）公司獲得了這種化學(xué)品。光會與光致抗蝕劑發(fā)生反應(yīng)，使其變硬或變?nèi)酢＠孤迤绽眠@一特點，創(chuàng)造了一個山丘形狀的 “掩?！保瑢⑺旁趲в械怪霉鈱W(xué)器件的顯微鏡上。穿過掩模上的小孔的光線被顯微鏡的鏡頭縮小，并投射到光阻化學(xué)品上。光線照射到的地方，化學(xué)品就會變硬。在光被掩膜阻擋的地方，它們可以被洗掉，留下一個精確的、微型的鍺面。一種制造微型晶體管的方法已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。

Lathrop將這一過程命名為光刻技術(shù)，用光進行印刷，他和Nall申請了專利。他們在1957年的國際電子器件年會上發(fā)表了一篇關(guān)于該主題的論文，軍隊為他的發(fā)明頒發(fā)了25，000美元的獎金。Lathrop用這筆錢給他家買了一輛新的旅行車。

在冷戰(zhàn)時期，迫擊炮引信的市場正在增長。Lathrop的光刻工藝起飛了，因為生產(chǎn)民用電子產(chǎn)品的晶體管的公司意識到了其變革的潛力。光刻技術(shù)不僅以前所未有的精度生產(chǎn)晶體管，而且還為進一步的微型化打開了大門。領(lǐng)導(dǎo)商業(yè)晶體管競賽的兩家公司，飛兆半導(dǎo)體和德州儀器很早就理解了其中的含義。光刻技術(shù)是他們制造數(shù)以百萬計的晶體管所需的工具，使它們成為大眾市場的商品。

用光作畫

飛兆公司的共同創(chuàng)始人之一羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在麻省理工學(xué)院攻讀物理學(xué)博士時曾與Lathrop一起學(xué)習(xí)。他們兩人在研究生階段利用周末時間徒步旅行新罕布什爾州的山脈，畢業(yè)后他們一直保持著聯(lián)系。在飛兆公司，諾伊斯迅速行動起來，雇用了Lathrop的實驗室伙伴Nall，并通過用他從灣區(qū)一家攝影店買來的一套20毫米的相機鏡頭拼湊自己的設(shè)備，帶頭開展公司的光刻工作。

與此同時，Lathrop在飛兆公司的競爭對手德州儀器公司找了一份工作，駕駛著他的新旅行車前往達拉斯。他到達時，他的新同事兼終生朋友杰克·基爾比（Jack Kilby）正準(zhǔn)備制造一種半導(dǎo)體材料，其中內(nèi)置或集成了多個電子元件。很快人們就發(fā)現(xiàn)，這些集成電路只能通過Lathrop的光刻方法才能有效地生產(chǎn)。隨著芯片公司努力縮小晶體管以將更多晶體管裝入芯片上，光刻技術(shù)提供了小型化制造所需的精度。

飛兆公司和德州儀器公司在內(nèi)部制造了他們的第一臺***，但機器的日益復(fù)雜很快就吸引了新的加入者。隨著晶體管的規(guī)模從厘米到毫米再到微米的下降，精密光學(xué)器件的重要性也隨之增加。珀金·埃爾默是一家位于康涅狄格州的公司，為美國軍方生產(chǎn)從投彈燈到間諜衛(wèi)星的專業(yè)光學(xué)器件。在20世紀(jì)60年代末，它意識到這種專業(yè)知識也可以用于光刻技術(shù)。它開發(fā)了一種掃描儀，可以將掩模圖案投射到硅晶圓上，同時以幾乎無瑕疵的精度對準(zhǔn)它們。然后，掃描儀像復(fù)印機一樣在硅片上移動光線，在上面畫上光的線條。事實證明，這種工具能夠制造出小到一微米的晶體管。

但隨著芯片功能變得越來越小，這種方法并不實用。到 20 世紀(jì) 70 年代末，掃描儀開始被步進機所取代，步進機是在晶圓上以離散步驟移動光線的機器。步進器面臨的挑戰(zhàn)是以微米級精度移動光線，使每個閃光燈與芯片完美對齊。GCA 是一家總部位于波士頓的公司，據(jù)報道，它是在德州儀器高管張忠謀 （后來成為臺積電的創(chuàng)始人） 的建議下設(shè)計了第一個步進工具。

新英格蘭的專業(yè)光刻公司很快就面臨著激烈的競爭。20 世紀(jì) 80 年代，隨著日本芯片制造商開始贏得存儲芯片生產(chǎn)的主要市場份額，他們開始從尼康和佳能這兩家本土光刻工具生產(chǎn)商那里購買產(chǎn)品。大約在同一時間，荷蘭芯片制造商飛利浦分拆了自己的光刻工具制造部門，將新公司命名為 ASML。

GCA 仍然是美國光刻冠軍，但在競爭中舉步維艱。它的光刻技術(shù)被廣泛認(rèn)為是一流的，但機器本身的可靠性不如日本和荷蘭新競爭對手的機器。此外，GCA未能預(yù)見到20世紀(jì)80年代的一系列芯片行業(yè)景氣周期。它很快發(fā)現(xiàn)自己財務(wù)過度擴張，到本世紀(jì)末，瀕臨破產(chǎn)。鮑勃-諾伊斯（Bob Noyce）試圖拯救這家公司；作為Sematech（一個由政府支持的半導(dǎo)體研究機構(gòu)，旨在振興美國芯片行業(yè)）的負(fù)責(zé)人，他向GCA投入了數(shù)百萬美元。然而，這并不足以阻止該公司急速走向崩潰。光刻行業(yè)由此進入由三家公司（兩家日本公司和一家荷蘭公司）定義的 20 世紀(jì) 90 年代。

一個行業(yè)的衰落

美國光刻行業(yè)的衰落與該領(lǐng)域技術(shù)復(fù)雜性的巨大飛躍相吻合?？梢姽獾牟ㄩL為幾百納米，到20世紀(jì)80年代，用它來描繪最小的晶體管就顯得過于寬泛。因此，該行業(yè)轉(zhuǎn)向使用氟化氪和氟化氬等新化學(xué)品來創(chuàng)造深紫外光，其波長低至193納米。到21世紀(jì)初，在這種紫外線本身被證明是一種過于遲鈍的工具之后，人們發(fā)明了可以通過水發(fā)射光的***，產(chǎn)生更銳利的折射角，從而提高精度。然后，在這種“浸沒式”光刻被證明不足以實現(xiàn)芯片上最精細(xì)的特征之后，光刻師開始使用多重圖案化技術(shù)。

然而，早在 20 世紀(jì) 90 年代，人們就清楚需要波長更小的新光源來繼續(xù)制造更小的晶體管。美國最大的芯片制造商英特爾公司領(lǐng)導(dǎo)了對極紫外光刻的早期投資，使用一種波長為13.5納米的光。這對于具有大致相同尺寸的圖案形狀來說足夠精確。但世界上僅存的光刻技術(shù)公司中，只有ASML公司有膽量將其未來押在這項需要三十年和數(shù)十億美元開發(fā)的技術(shù)上。在很長一段時間里，許多行業(yè)專家認(rèn)為它永遠不會成功。

以足夠規(guī)模生產(chǎn)EUV光是人類歷史上最復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)之一。ASML的方法需要取一個30微米寬的錫球，用超高功率的二氧化碳激光器將其粉碎兩次。這將錫球爆炸成一個溫度為幾十萬度的等離子體。等離子體發(fā)射出EUV光，然后必須用有史以來最平坦的鏡子來收集，每個鏡子由幾十個交替的、納米厚的硅和鉬層組成。這些鏡子由一套執(zhí)行器和傳感器保持幾乎完全靜止，它們的制造商說，這些執(zhí)行器和傳感器非常精確，可以用來引導(dǎo)激光打出遠至月球的高爾夫球。

生產(chǎn) EUV 系統(tǒng)中的專用組件需要構(gòu)建復(fù)雜的國際供應(yīng)鏈。這種高功率激光器由一家名為 Trumpf 的德國公司制造，該公司專門生產(chǎn)精密切割工具。這些鏡子由蔡司生產(chǎn)，蔡司是另一家在光學(xué)專業(yè)領(lǐng)域擁有悠久歷史的德國公司。錫球粉碎室由位于圣地亞哥的 Cymer 公司設(shè)計，后來被 ASML 直接收購。一臺擁有數(shù)十萬個零部件的機器只有在多個大洲的公司參與的情況下才能生產(chǎn)，即使其組裝由一家公司壟斷。

如今，EUV 光刻工具用于生產(chǎn)手機、個人電腦和數(shù)據(jù)中心的許多關(guān)鍵芯片。典型的智能手機處理器將擁有超過 100 億個微型晶體管，每個晶體管均采用 Lathrop 首創(chuàng)的光刻工藝印刷。光刻技術(shù)已被用來制造數(shù)以百萬計的晶體管，使它們成為人類歷史上生產(chǎn)最廣泛的制成品。

然而，也許最重要的是，EUV光刻技術(shù)在生產(chǎn)先進的數(shù)據(jù)中心所需的芯片中的作用。大型人工智能系統(tǒng)通常在最先進的芯片上進行訓(xùn)練，這意味著它們受益于只有EUV光刻技術(shù)才能有效制造的超先進的晶體管。這使得光刻技術(shù)成為地緣政治爭奪的問題全球的計算能力取決于對一家公司生產(chǎn)的單一工具的使用，這一事實說明了光刻在世界科技領(lǐng)域發(fā)揮的核心作用。該行業(yè)極其復(fù)雜——是全球光學(xué)和材料科學(xué)專家網(wǎng)絡(luò)深入研究努力以及數(shù)十億美元投資的結(jié)果。

自從Lathrop從事引信工作以來，該行業(yè)已經(jīng)走過了漫長的道路。他于1968年離開德州儀器公司，在那里工作了十年，并在克萊姆森大學(xué)擔(dān)任教授，他的父親曾在那里學(xué)習(xí)，離他父母當(dāng)時居住的地方不遠。Lathrop在他職業(yè)生涯的剩余時間里一直在教書，盡管在20世紀(jì)70年代和80年代的夏天，他將回到TI與他的老朋友Jack Kilby一起工作，開發(fā)太陽能光伏技術(shù)的努力未獲成功。Lathrop于1988年從克萊姆森大學(xué)退休，給數(shù)千名電氣工程專業(yè)的學(xué)生留下了深刻的印象。

與此同時，他發(fā)明的光刻工藝也在不斷進步。幾年后，ASML 將發(fā)布其 EUV 技術(shù)的新版本，稱為高數(shù)值孔徑 EUV，該技術(shù)將實現(xiàn)更精確的光刻。對未來更加精確的工具的研究正在進行中，但尚不清楚它是否具有實際或商業(yè)可行性。我們必須希望它是可行的，因為摩爾定律的未來以及它所帶來的計算方面的進步都取決于它。