光刻機:美國是如何發明并徹底失去的?

2021-11-05 12:49:23 來源:EETOP
光刻可以說是半導體制造中最重要的一步。今天最先進的 EUV 光刻機是極其復雜的機器,其成本與一架新的波音噴氣式客機一樣高。

從 1984年與飛利浦的合資企業開始,ASML 已經發展成為世界第二大芯片設備制造商,以及 EUV 光刻機的唯一供應商。

作為半導體的發源地,事實上半導體光刻理所應當是美國發明的。目前全球前十大半導體設備廠,美國就占據了4家,生產出全球超過半數的半導體制造設備。但是美國卻無法制造光刻機,那么美國是如何失去了半導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 (SVG) 等先驅的采訪,做出分析。

早在 1950年代中期,貝爾實驗室就開始嘗試將圖像打印到硅晶片上。50年代后期,仙童半導體改進了工藝以制造晶體管。

“我們決定使用光刻膠來描繪這些區域”仙童最初的八位聯合創始人之一杰伊·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

“貝爾實驗室在那里做了一些努力,并認為這是不可能的,所以他們從未追求過。鮑勃 [諾伊斯] 和我與柯達合作,他們給了我們當時最好的抗蝕劑,我們逐漸與他們建立了工作關系,抗蝕劑不斷改進。

“有很多技術問題和技術挫折,但我們只是說我們要使用它,我們必須讓它發揮作用——我們做到了。”

在20世紀60年代,接觸式掩膜對準器被用于晶圓印刷,Kulicke & Soffa是第一個將其引入商業化的公司。后來,Kasper儀器公司成為主導供應商,但當三位前Kasper工程師成立了他們自己的公司,名為Cobilt--并且在1972年被總部設在波士頓的CAD巨頭Computervision收購--一個新的晶圓印刷模式出現了。

"Cobilt公司生產的機械對準器,其打印半導體晶圓的技術比當時的標準要好一些。而Computervision公司有一套自動對準系統,可以讓你更準確地對準各層。"Sam Harrell說,他從Computervison公司調到西海岸,成為Cobilt公司的工程副總裁。

"我們在世界各地銷售了數百臺機器。在投影打印占據主導地位之前,它真的是統治者。"

在加入Cobilt之前,Ed Segal在Kasper銷售對準器,他看到了當Perkin-Elmer開發出投影掩膜對準器時,目睹le Cobilt是如何失去其領先地位的。

Segal說:"當掩膜對準器從接觸掩膜對準器進入下一階段,即所謂的投影對準器,或在晶圓上投影掩膜圖像時,Perkin-Elmer完全進入并占領了這個市場。" Cobilt也試圖建造一個,但它確實遭到了非常大的失敗。該公司最終在1981年被賣給了應用材料公司。"

吉姆-加拉格爾(Jim Gallagher)在GCA負責半導體設備業務,該公司在80年代將市場讓給日本公司之前是光刻技術的世界領導者。在尼康和佳能等日本供應商成為市場領導者之后,該公司的最終消亡。

"我們開始盡可能地賣掉業務。但是,當你在走下坡路時,可以說,那不是開始出售的時候,因為你正在做的是,每個人都知道你的問題,他們會給出最低、最低的價格。所以那是我們滑坡的開始"加拉格爾說。

到20世紀80年代末,日本步進器供應商的主導地位讓美國芯片制造商感到擔憂。為了開發一個替代來源,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。

英特爾聯合創始人戈登-摩爾回憶起當時的擔憂。當時佳能和尼康的大型步進器都出來了。在美國沒有類似的設備,而這是整個過程中的一個關鍵部分。

"我們與一家列支敦士登公司[Censor]有一個重要項目,以制造一個步進器。非常復雜,但也非常昂貴,而且開發速度太慢,他們無法真正對市場產生影響。我們最終購買了日本的設備,因為它是最好的,而且沒有真正的替代來源。”

后來成為尼康首席執行官的吉田昌一郎設計了該公司的第一臺用于半導體制造的步進重復相機。

在20世紀90年代,SVG在新任命的首席執行官Papken Der Torossian的帶領下向光刻技術領域擴張。SVG曾試圖收購GCA,但交易從未實現,GCA在1988年被賣給了General Signal。

然而,DerTorossian 成功地獲得了由Perkin-Elmer 與 IBM 聯合開發的下一代步進掃描系統Micrascan --但他表示,這需要數千萬的研發經費和兩年半的時間來修復系統中的錯誤。結果是Micrascan II。

"他們擁有的機器無法工作--其平均故障間隔時間不到一小時。IBM無法使用它。但它有非常好的基本技術"他說。

Der Torrossian解釋了現金短缺如何導致錯失將先進光刻技術留在美國的機會。

“在 1992 年,ASML 正在尋找大規模資金投入。擁有它們的飛利浦找到我,并打算以 6000 萬美元的價格出售 ASML。當時我沒有 6000 萬美元。我告訴他們,但我會給你同等數量的股份,讓我們建立一個合資企業吧。不過飛利浦拒絕了我,因為他們需要的是現金。”

到 2001年,ASML 扭轉了局面,最終以 16 億美元收購了美國最后一家主要的光刻機公司 SVG。由于國家安全問題,這筆交易被推遲了幾個月,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。

至此美國丟掉了光刻機!

這幅由 SEMI 于 1980 年委托制作的畫作描繪了光刻先驅。從左起,Perkin-Elmer 的投影掩模對準器背后的團隊(Abe Offner、Jere Buckley、David Markel 和 Harold Hemstreet),以及右側的主要發明者 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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