1nm等于多少米(m与m)

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Aero 空发动机一直被认为是人类顶级工业皇冠上的明珠。但是最近十年，不断挑战物理极限的半导体光刻机，有挑战珍珠之王的趋势。

航空在极端高温高压下挑战材料和能量密度的极限，光刻在比头发丝还细千倍的地方挑战激光波长和量子隧穿的极限。

更何况，与可靠性低的航天高科技不同，航天和光刻的可靠性也是人类骄傲的花朵:前者确保每天有10万架飞机安全翱翔在天空空，后者在遍布世界各地的工厂里每秒钟雕刻数千亿个晶体管。

震惊，看看芯片里面的功劳:ASML

注:1纳米= 0.00000001米。

介绍

2000年，成立15年、世界排名第二的荷兰ASML (ASML)公司已经成功占领了韩国和台湾省市场，但它还在想如何把光刻机卖给当时绝对占优势的芯片公司英特尔。

缺乏新一代157纳米激光器所需的反折射透镜技术也是ASML的一个担忧。同时，ASML在由美国能源部和几个芯片巨头共同建立的EUV光刻联盟中只是一个小角色。

这个时候，整个半导体行业没有人知道下一代光刻技术会怎么样。

在转折点上，ASML决定另辟蹊径，出价16亿美元收购市值仅10亿的硅谷集团(SVG)。当时，曾经辉煌的SVG在光刻机市场份额不足8%，年营业额仅为2.7亿美元，193nm的产品水平远远落后于ASML。因此华尔街认为ASML很贵，ASML的股价当天暴跌了7.5%。

但是，从后来的结果来看，ASML相当于把钱花在了《光刻机》中最有价值的一张票上:英特尔的厂商代码，动摇了尼康的支柱。另外，SVG拥有最成熟的157nm光学技术，相当于ASML买了一份技术上的双保险，后面会详细介绍。

但是，不要以为西方人都是一家人。该收购仍被美国政府和商会阻止。美国国防部调查发现，ASML的董事长是一家荷兰公司的董事，该公司曾违反禁令向伊拉克秘密出售夜视镜。

中国的老对手美国外国投资委员会最后在收购协议上加了一堆条件，包括禁止收购SVG负责抛光镜片的子公司Tinsley，保证各种技术和人才留在美国。

相反，这些条件使得ASML成为半个美国公司，享受着美国强大的基础科学带来的巨大利益，也为其多年后在EUV的独特发展奠定了坚实的基础。

60-70年代早期

实际上，光刻机的原理和幻灯机一样简单，就是通过带有电路图的掩膜，将光线投射到涂有感光胶的晶片上。在60年代早期的光刻技术中，掩模以1:1的尺寸附着在晶片上，而当时晶片的尺寸只有1英寸。

所以当时的光刻技术并不算高科技，半导体公司一般都是自己设计工装和工具。例如，英特尔从购买16毫米相机镜头并拆卸它们开始。只有GCA，k &和Kasper等。做过一点相关设备。

60年代末，日本的尼康和佳能开始进入这一领域。毕竟那个时候的光刻不比相机复杂。

在20世纪70年代初，mask aligner的技术更侧重于如何确保十个或更多个掩模可以准确地刻在一起。卡斯帕仪器公司最早推出接触式对中机，并领先数年。Cobilt公司做了一条自动生产线，但是接触机后来被接近机淘汰了，因为掩膜版和光刻胶多次接触太容易被污染。

1973年，美国军方投资的珀金·埃尔默公司推出了投影光刻系统，这种系统非常容易与正性光刻胶配合使用，成品率很高，因此很快占领了市场。

1978年，GCA推出了真正现代的自动步进光刻机，分辨率比投影式高5倍，达到1微米。这个奇怪的名字来自摄影术语“分步重复”。这种机器通俗的说就是一束一平方厘米左右的光穿过掩膜照在晶圆上，曝光一片后，移动一个位置，雕刻另一片。起初，由于步进机的生产效率相对较低，Perkin Elmer在很长一段时间内保持着主导地位。

在80年代，英雄们争夺霸权。

光刻机是个小市场，就算一年卖几十台，也是个大厂。因为半导体厂商那么多，一台机器可以用很多年。这让你的机器有点落后，没人想买。技术领先是赢得市场的关键，胜者为王。

80年代初，GCA的步进机还略微领先，但很快尼康就发布了第一款商用步进机NSR-1010G，拥有更先进的光学系统大大提高了产能。这两家公司一起挤压了其他制造商的份额，特别是珀金·埃尔默的投影光刻技术。宝洁公司。e的市场份额从80年的30%以上迅速下降到84年的不足5%。

看过《记忆的故事》的朋友都知道，上世纪80年代，日本的半导体行业正处于巅峰，中国几乎每一家大公司——财阀都进入了半导体行业。这给尼康和佳能带来了巨大的后盾，开始反攻美国市场。

由于GCA的镜头组来自蔡司，不像尼康有自己的镜头技术，合作的问题让GCA的产品更新落后了半拍。1982年，尼康在硅谷成立了尼康精机，开始从GCA手中抢占一个又一个大客户:IBM、Intel、TI、AMD等。

到1984年，尼康已经与GCA平起平坐，各自享有30%的市场份额。Ultratech占10%左右，伊顿、P & E、佳能、日立等。剩下的各不到5%。

为什么要专门看1984？

首先，让我们向苹果致敬。震撼世界的广告《1984》发布了第一代Mac(我现在打字电脑的祖先)。那么，请请出我们故事的主角:ASML。

ASML被广泛认为是飞利浦的一个分支。虽然不能说是错的，但还是和人们想的不一样。

飞利浦在实验室开发了步进机的样机，但还不够成熟。因为光刻市场太小，飞利浦无法确认是否有商业价值。去美国和P & E，GCA，Cobilt，IBM等。谈了一圈，没人愿意合作。

荷兰小公司ASM国际的老板亚瑟·德尔·普拉多听说了这件事，主动要求合作。但是这个代理出身的公司，前后只有半导体的经验，对光刻并不了解，相当于半个天使投资加半个经销商。

飞利浦犹豫了一年，最终勉强同意成立一家50:50的合资公司。当ASML于1984年4月1日成立时，只有31名员工在飞利浦大楼外的木屋里工作。

ASML刚成立的时候，是一间简陋的平房，后面的玻璃建筑是飞利浦。信用:ASML

ASML第一年只卖了一台踏步机，第二年卖了四台。第一代产品还不够成熟，但飞利浦树背后的资源和气度让它活了下来。

ASML在1985年与蔡司合作改进光学系统，终于在1986年推出了伟大的第二代产品PAS-2500，并第一次在美国卖给了当时的创业公司Cypress，也就是今天的Nor Flash巨头。

有趣的是，1986年半导体市场暴跌(例如，仅三星半导体就损失了3亿美元)，这使得美国的一堆掩模对准器制造商遇到了严重的财务问题。ASML还小，所以损失小，可以按照现有的计划开发新产品。在宝洁时期，GCA和p & E的新产品开发都停滞不前。

1988年，GCA严重缺乏资金，被通用信号收购。几年后，GCA因找不到买家而倒闭。通用信号的另一家子公司Ultratech最终被MBO收购，但规模并不大。1990年，p & E光刻部门支持不了，卖给了SVG。

1980年仍占据半壁江山的美国三雄，到80年代末被日本双雄完全取代。目前，ASML只有大约10%的市场份额。

波长竞争

忽略在美国被边缘化的SVG，Ultratech等公司。从上世纪90年代到现在，这种模式一直是ASML和尼康之间的竞争，佳能在一旁看热闹。

所以我们要开始讨论一点技术。

半导体领域的首要驱动力是摩尔定律。摩尔定律其实应该叫摩尔预言，这个预言中间改了一次。戈登博士在1965年最早的预测是集成电路的密度将每年翻一番，但在1975年他将其改为每两年翻一番。

有人说这是人类历史上最伟大的“自我实现的预言”，因为英特尔几十年来一路狂奔都遵循着这个预言，直到光刻技术在193nm卡了十几年，变成了网友所说的“牙膏厂”。

为了实现摩尔定律，光刻技术需要每两年将曝光临界尺寸(CD)降低30%-50%。根据瑞利公式:CD=k1*(λ/NA)，我们能做的就是降低波长λ，增加镜头的数值孔径NA，降低综合因子k1。

更短的波长是最直接的手段。20世纪90年代上半期，光刻中使用波长为365nm的I-line，后半期使用波长为248nm的KrF激光器。只有几种可用的激光波长。20世纪，波长为193nm的DUV激光器被用于光刻，这就是著名的ArF准分子激光器。在包括近视手术在内的很多应用中都有使用，相关的激光发生器和光学透镜也比较成熟。

但谁也没想到，光刻光源卡在193nm就无法进步20年。直到今天，我们使用的所有手机和电脑的主芯片仍然是用193nm光源蚀刻的。

90年代末，科学家和工业界提出了193nm以外的各种方案，包括157nm F2激光、电子束投影(EPL)、离子投影(IPL)、EUV(13.5nm)和X射线，并形成了以下阵营:

157nm F2:大家都研究，但是SVG和尼康最接近生产。

157nm的光会被现有的193nm机器的镜头吸收，光刻胶要重新显影，改造难度极大。然而，193nm波长的改善不到25%，R&D输入输出比太低。ASML在收购SVG之后又收购了反射技术，终于在2003年出了157nm的机器，但是错过了时间窗口，被低价的浸没式193nm彻底打败。

13.5纳米EUV公司:英特尔、AMD、摩托罗拉和美国能源部。ASML、英飞凌和美光后来也加入了进来。

我稍后会谈到EUV。

1纳米接近x射线:日本阵营(aset，三菱，nec，东芝，ntt)和IBM

这是一个浪漫的营地。大家都没想过工业化。

0.004纳米EBDW或EPL:朗讯贝尔实验室，IBM，尼康。ASML和申请材料被邀请加入，然后率先退出。

这是尼康和ASML之间摊牌的选择。尼康试图通过直接穿越未来技术来击败ASML，但遗憾的是这场决战应该发生在2020年而不是2005年。尼康不是选错了技术，而是选错了时间。尼康最重要的技术盟友IBM于2001年加入了EUV联盟。

0.00005纳米IPL:英飞凌，欧盟。ASML和莱卡等公司也参与其中。

离子光刻在波长上是最浪漫的，但光刻的分辨率不仅取决于波长，还取决于NA。现有技术中离子光刻可用的光学系统NA为0.00001，刚好比193nm差10万倍(NA = 0.5 ~ 1.5)，优势抵消。

以上所有的努力，几乎都失败了。

他们被工程上最简单的方案打败了，就是在晶圆光刻胶上加1mm厚的水。水可以折射波长为193纳米到134纳米的光。

浸没光刻成功跨过157nm大关，半周期为65nm。随着高NA镜头、多掩膜、FinFET、分距、感光光刻胶等技术的不断进步，浸没式193nm掩膜版光刻机发展到今天的7nm(苹果A12、华为麒麟980)。

2002年，TSMC的林本建博士在一次研讨会上提出了浸没式193nm方案，随后ASML在一年内研制出了样机，充分证明了该方案的工程友好性。

随后，TSMC也是第一个实现浸入式量产的公司，然后终于赶上了英特尔，在之前的工艺技术上遥遥领先。林博士赢得了崇高的荣誉和各种奖项。

麻省理工学院的林肯实验室似乎并不服气，他们认为自己在2001年就提出了这个沉浸式方案。ASML似乎没有以任何书面形式说明它的发展是受林博士的启发。

其实改变油浸镜片折射率的方式由来已久。对于行业来说，争论谁的想法先出现从来都不重要。行动胜于言语。林博士的贡献在于TSMC和ASML共同努力将想法变成现实。

日荷争霸

在ASML推出immersion 193nm产品前后，尼康也宣布完成了自己的157nm产品和EPL产品原型。但是沉浸是小改进大效果，产品成熟度很高，所以尼康的新品几乎没人订购。尼康被迫宣布做浸没式光刻机。

我们之前提到过，光刻领域是赢者通吃的，前后台渠道很多厂商整合新产品，总要花至少1-3年的时间。别人比你先量产，所以他们比你有更多的时间去改善问题和良品率。

光刻机就像一台印刷机，材料成本可以忽略不计，时间宝贵如金。

半导体制造商更愿意购买成熟的ASML产品，而不是成为尼康的小白鼠。

这导致了尼康的倒闭。尼康在2000年是领先者，但到了2009年，ASML的市场份额接近70%。尼康新产品的不成熟也间接与大量使用其设备的日本半导体厂商集体衰落有关。

佳能从来都不是光刻技术的领导者。当时它的数码相机以不错的利润称霸全球，对mask aligner不够重视，年销量只有一百台。

佳能的理念是，一个产品需要长期销售。他们一看到193nm尼康和ASML打的太狠，就直接退出了。直到现在，佳能仍然在销售350nm和248nm的产品，供应给液晶面板和模拟设备的制造商。

沉浸失利后，尼康完全没有还手之力，因为接下来的EUV开发需要巨额投资，未来不确定。英特尔转向了ASML，这让尼康失去了挑战摩尔定律的勇气。

EUV掩模对准器

接下来，我们再来谈谈EUV。这款产品其实是ASML在没有竞争对手的情况下研发出来的，而且已经十几年没有量产了。

背后的驱动力是什么？我看过一些文献，英特尔绝对是最坚定的支持者，因为它的使命之一就是让摩尔定律走下去。

早在1997年，英特尔就看到了挑战193nm的巨大难度，决心集合人类精英一起移山，有点像流浪地球。他们说服了美国高科技最开明的克林顿政府，以公司的形式推出类似EUV有限责任公司的合作组织。

这个由英特尔和美国能源部牵头的组织，汇集了当时还如日中天的摩托罗拉和AMD，以及美国三大久负盛名的国家实验室:劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯柏克莱实验室和桑迪亚国家实验室。它投入了2亿美元，聚集了数百名顶尖科学家，从理论上验证EUV可能存在的技术问题。

英特尔还敦促ASML和尼康加入EUV有限责任公司，因为当时美国的光刻技术不是很好。但这一举措被美国政府阻止，因为他们不愿意让外国公司分享美国最前沿的技术。

最终尼康被排除在外，ASML在许下很多承诺要为美国做贡献后才被允许加入。另一个例外的非美国公司是英飞凌，它被允许与美光一起加入EUV有限责任公司。

回顾跨越193nm的各种技术方案，很多公司左赌右赌，只有英特尔坚定地选择了EUV，并最终使之成为现实。

我看了一些当年的回忆录，说英特尔自己并没有派出多少工程师，而是列出了上百个难题，用小鞭子督促那些科学家继续努力。

EUV是一种软X射线，在穿透物体时散射和吸收都非常强，这就使得光刻机需要非常非常强的光源。这个困难是巨大的。甚至空气体也能吸收EUV，所以机器内部必须由true 空制成。

传统平版印刷术中使用的许多透镜不得不用镜子代替，因为它们会吸收X射线。据说最新的193nm的光刻机镜头有一吨重，但是这些技术都没有用上。

因为光刻精度是几个纳米，所以EUV对光的集中度要求极高，相当于拿着手电筒照射不超过一枚硬币的月斑。所需反射镜要求长30cm，波动小于0.3nm，相当于北京到上海的铁路轨道，波动小于1mm。

所以，EUV不仅是顶尖的科研，更是顶尖的精密制造知识。

EUV的小镜子是德国蔡司生产的，所以ASML特意买下了卡尔·蔡司SMT 24.5%的股份。

从1997年到2003年，EUV有限责任公司的科学家发表了数百篇论文，验证了EUV掩模对准器的可行性。然后EUV有限责任公司联盟解散了。

接下来，ASML面临一个问题。你到底想不想做？

幸运的是，ASML从未犹豫过。2006年推出原型机，2007年建成10000平米的超级洁净室，等待接收第一台R&D原型机:2010年诞生的NXE3100。

2012年，ASML邀请英特尔、三星和TSMC自己入股，希望大家共同承担这个人类的伟大工程，因为R&D投资每年需要10亿欧元。

2015年发布了量产原型车。虽然价格高达1.2亿美元，但我们还是收到了雪花一样的订单。排队等待送货需要几年时间。

一台EUV光刻机重达180吨，有超过10万个零件，需要40个集装箱运输，安装调试需要一年多时间。

明年，我们可以买到EUV芯片制造的手机。

EUV信用:ASML校准器:ASML

附言

相信未来人类无论是使用电子离子，还是最终放弃硅，都能够突破光学光刻机的极限。但是，刚写完文章，我只想发自内心的为这些伟大的公司加油。

需要强调的是，光刻只是半导体制造中的一个环节，前后工序使用的先进技术不计其数。

正是因为他们不屈不挠的努力，我们才在这个芯片驱动的大时代里，享受着各种手机、电脑、家电、汽车、飞机、互联网带来的精彩生活。

来源:记者刘亚东

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