Photolithography War 1980: The Rise of the Japanese

Photolithography War 1980: The Rise of the Japanese 

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晶片製造的光刻機起源於美國，但是為什麼美國現在不再生產光刻機了？曾經稱霸全球市場、佔技術優勢的美國光刻機為何在短短十年內就衰退了？要回答這些問題，就不得不提到日本半導體在80年代的強勢崛起，剛剛經歷近40年的經濟起飛，其首都的房價直逼倫敦紐約，GDP位居全球第二，同時政府大力推動產業升級，重點發展半導體電子產業，給美國晶片造成強烈衝擊，並引發後者的貿易制裁，正是上世紀80年代的日本，在這場美日半導體對決中，光刻機設備是雙方激烈爭奪的重要戰場，最終，美國失去了全球光刻機行業的壟斷地位，但日本卻不是笑到最後的贏家。

PE()的興起：

上一個影片我們回顧了60、70年代，半導體古老時代最早的接觸式漸進光刻，以及它們所代表的掩模版光刻（Shadow Printing），這種原始的光刻機，統稱為Mask Aligner，也就是掩模版對準機，本質上就是一個大型的紫外燈，光刻時把光刻時把在掩模版(photomask)對準機上。不僅容易在矽片的光阻層上留下缺陷，導致光刻成品率低，生產一批晶片，往往只有10%的合格率，同時光刻膠上還漂浮著灰塵顆粒，還容易對昂貴的光掩模板造成損壞，每打一次曝光，就必須更換新的掩模模板photomask，生產成本巨大。

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為了解決掩模版光刻(mask lithography)的難題，一家名為Perkin-Elmer （PE）的光學儀器廠在美國軍方的資金支持下，開始研發投影光刻技術，並於1974年成功推出了具有劃時代意義的Micralign100。

Perkin Elmer的技術創新，讓晶片的價格從奢侈品變成了白菜，讓任天堂紅白機和個人電腦，有機會飛進尋常百姓家，也給自己帶來了巨大的商業利益，以前不做光刻機，PE是半路出家，到第二年訂單就會供不應求，5年內，市場佔有率從0到行業第一。 
美國南北戰爭：

在PE跨界光刻之前，統治這個市場的是Geophysical Corporation of America，簡稱GCA，從名字就知道，它本來是做地圖的，但GCA早在1959年就收購了一家小公司David Mann，獲得精密測量技術，結合Lund博士提供的光學鏡頭，於1961年推出第一台971光刻機，並獲得巨大成功。 1961年，它推出了第一台971光刻機並獲得了巨大成功，10年後，Suss、K&S等廠商，也推出了自己的光刻機，但GCA的市場份額，一直維持在60%以上，直到70年代，半途殺掉出Micralign。像德州儀器、英特爾這樣的大廠，很快就，GCV作為光刻技術的鼻祖之一，對於這種差距感到非常苦惱，他們想開發一種比投影對準機更先進的光刻機，以奪回失去的市場和客戶，這就是GCV採用倍縮光掩模版(doubled shrinking photomask)的Stepper。

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70年代初，GCA的鏡頭供應商，從Len博士換成了日本擅長做望遠鏡和相機鏡頭的廠家Nikon，然而，為了得到步進光刻所需的遠心鏡頭，GCA又放棄了尼康，因為不喜歡日本鏡頭，所以轉向德國Zeiss，他們放棄日本鏡頭精度差 (poor precision)，光刻過大，焦距土商，就是這個太后的人，就是這個時間相差過大，距焦光刻，就是這個太世的人，就是這個時間了幾年。但GCA還不能想得那麼遠，目前來看，要想擊敗Micralign，除了鏡頭、他們的步進光刻機之外，還需要一個關鍵的東西，自動化矽片工件台。

短焦距的光學系統比長焦距的光學系統有更佳聚集光的能力。

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Aligner vs Stepper 對準器與步進器：

這裡簡單解釋一下Aligner和Stepper的差別：Aligner使用的是1:1的光罩，無論是Contact-Progressive或是Micralign，光罩上的電路圖和矽片上的電路圖一樣大。這樣做的最大優點是光刻速度快，因為光罩版尺寸與矽片基本相同，單次光刻即可曝光整片晶圓，但缺點是影像對比度、數值孔徑和精度受到限制。

0５Stepper

相較之下，步進微影採用縮放投影方法，利用光學透鏡將遮罩板上的影像縮小到原始尺寸的1/5或1/4，然後將其投影到矽晶圓表面。但這樣做的缺點也很明顯：光刻的曝光區域不再是整個矽片，而只是矽片上的一小部分區域，因此光刻必須減少到零，並且每次曝光，承載矽片的平台必須自動平移到下一個區域，一步一步前進，直到整個矽片曝光，因此得名「步進光刻」。

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與大面積曝光對準機相比，步進光刻機犧牲速度換取精度，但這種可移動的矽工件台並不簡單，尤其是當晶片製程更小時，對精度測控、加減速的要求變得更加嚴格。早期的工件台通常是伺服馬達驅動的二維平台，後來是空氣或磁浮移動系統，加上雷射干涉儀或刻度測控系統，形成光、電、機械一體化的複雜精密零件。

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1978年，GCA初步解決了矽平台的技術問題，推出了世界上第一台自動化步進微影機DSW4800，該機採用G線光源和10:1倍縮光掩模。 1981年，銷售額飆升至1.1億美元，這給PE帶來了壓力，但那一年他們也推出了新款Micralign 500，這是第一台每小時產能超過100片晶圓的光刻機。這是第一台每小時超過 100 片晶圓的光刻機，最大限度地提高了對準器的速度。

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然而，晶片的尺寸按照摩爾定律的劇本正在快速縮小，光刻的精度也越來越重要，就在PE獨佔鰲頭幾年後，還沉浸在勝利的喜悅中，卻沒有意識到對準器的時代即將結束，GCA即將憑藉其步進光刻機一步步稱王。

此後，全球光刻機市場一直由美國廠商主導，誰贏得了美國內戰，誰就是世界第一。然而，就在這兩家美國廠商進行最後的對決時，1982年，IBM和德州儀器的工廠裡出現了另一台來自海外的光刻機，無論是光學系統還是矽平台，都與GCA的步進機很像，它的名字是來自GCA前供應商日本Nikon的NSR-1010g。

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VLSI Japan：

日本超大規模積體電路：

這家日本鏡頭配件製造商是如何在短短幾年內打破GCA技術壟斷並開發出自己的步進光刻機的呢？故事要從1976年開始，當時日本通訊產業省啟動了VLSI項目，這是一項旨在升級國家電子產業的四年計劃，每年投資180億日元。這些競爭對手被要求擱置分歧，共同努力，專注於大事。

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關於超大規模積體電路計畫和1980年代的美日半導體大戰，這是一個更大的議題，今天我們將重點放在其中一個局部光刻戰場。在四年計畫中，日本選擇了幾條技術路線重點突破，光刻技術和設備就是其中之一，因此尼康和佳能作為老牌光學廠商，雖然沒有明確加入該項目，但也開始了自己的通產省組織的光刻仿製任務，佳能此前專注於相機鏡頭，缺乏精密測量部分，因此抄襲了門檻較低的Micralign對準器；而尼康既能製造高解析度相機鏡頭，又能製造天文望遠鏡累積的精密測控技術，這兩者都是一步步解鎖的必備技能，因此Nikon 開始抄襲GCA的光刻技術。

１３From cottage to beyond：
從小屋到超越：

雖然自己的技術累積不差，但是尼康要實現從無到有也不容易，好在有友軍的全力支持，日本電買下了GCA光刻機，給尼康偷偷拆解研究，這東西是怎麼知道的呢？當時GCA的產能極為有限，而且步進光刻機優先考慮的是美國客戶，所以這種進口光刻機並不容易買到，NEC也不能白白給他們。

有了參考樣品，尼康的開發過程進展順利，並在1980年推出了自己的步進光刻機。當然，第一台原型機存在許多問題，但 NEC 和東芝支持國內生產，很快就購買了它並回饋了他們的體驗。美國人驚訝地發現尼康的「山寨」機器表現更好，特別是在鏡頭穩定性和自動化方面，並且能夠運行數小時，而GCA的「原始」光刻機始終需要操作員停機。更糟的是，日本人的服務態度遠勝於美國人。

當時業內有一個笑話，如果你買了GCA光刻機，你會得到一份維護手冊，上面寫著“我們最好的光刻機”，而如果你買了Nikon光刻機，你會得到一個由五名工程師組成的機器保養包。原因是單鏡頭供應商蔡司目前正處於低潮，鏡頭品質問題頻傳，交貨頻頻延誤，無法滿足GCA擴大產能的需要。採用升級光源的 I 線光刻。

同年，另一家日本廠商Canon也推出了第一台步進光刻機FPA-1500，1985年，Nikon 正式取代GCA成為光刻機第一大供應商，而與此同時，1984年荷蘭小鎮上一家員工不到100人的小公司剛剛換了新名字：ASML，一個新的時代開始了。

隔年GCA寶座尚未回暖，今年就巨虧1.45億美元，放棄低端機種斷臂求生，將全部財產押在高端機上，卻仍無法自救資金鏈斷裂和蔡司退出合作關係的失敗，而到了20世紀80年代末，曾經壟斷世界的美國光刻行業已然風雲變幻。；而日本尼康佳能則強勢崛起，牢牢佔據70%的市佔率。

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以史為鑑：

當年日本光刻機為何能迅速崛起並徹底擊敗美國壟斷？

首先是在光學設備和精密機械方面的技術積累，這是日本能夠快速趕上美國的前提。

其次是政府集中力量辦大事，超大規模積體電路專案出錢、搖人、成立聯合實驗室，實現上下游廠商甚至競爭對手之間的夢想聯動，東芝和NEC願意出錢為不完美的光刻原型機包銷，也樂意為尼康佳能提供技術支援；而美國晶片製造商則不願與 GCA 分享生產細節，擔心洩露給競爭對手。