半导体行业发展简史（二）——光刻技术
企业及企业家”系列说明
成功的企业都是相似的，从成功企业的发展历程中找共性要素，可以明确在这些成功的必要条件上，自省本身还有哪些差距；欠发展的企业可能各有各的症结点，则可以从大量的田野调查中得到启发。总之，了解更多的企业案例并进行思考总结，对于企业的发展是有帮助的；同样的，了解更多的人物案例并进行思考总结，对于个人的发展也是有帮助的。
2001年前后，随着半导体工艺的演进，微影技术遇到了瓶颈。此前，业界一直利用空气为介质，采用的是“干式”微影技术。“干式”微影采用的光束波长为157纳米，已很难缩短。英特尔及其设备供应商阿斯麦(ASML)、尼康尽管已投资超十亿美元进行开发，对光源、显影剂、掩膜及蚀刻材料等进行多方位的研究，但是仍然没有很好的解决办法。后来，台积电前研发副总经理林本坚解决了这一难题。1986年，林本坚还在IBM时，就认定微影技术继续发展就需要从干式转向浸润式微影技术(Immersion Lightography)—只有这样才能让光束的波长更短，由此解析度更强，光刻电路更为精密，使摩尔定律得以延续。2002年，林本坚在比利时举行一场国际光电学会技术研讨会上抛出了他的观点。本来，林本坚受邀参会，只是想介绍一下浸润原理。但是，林本坚演讲完后，“不得了，我找到了134纳米波长的光波，大家听到134，全都睁大眼睛。之后，大家把原本讨论的157纳米都丢一边了，全部围绕在134浸润式的话题上。”不过，研讨会后，业界一开始并不认可林本坚的策略。表面上看，反对方一开始列举的理由有很多是技术性的，例如利用水作介质容易被污染，而且水中的气泡会影响曝光等。但是，从更深的层面看，这意味着他们已经投入数十亿美元研发费用的“干式”微影前功尽弃。对此，台积电前共同营运长蒋尚义回忆道：“（当年）确实有大公司的高层主管表达严重关切，希望我能管管他（林本坚），不要搅局。”“偏执狂”林本坚的设想得到了蒋尚义和张忠谋的支持，而他自己也在积极对外交流，说明下一代技术应该改变策略，使用浸润式光刻机技术的性价比更高！他说：“像下棋一样，要先想好后面好几步。把所有可能的步骤都一直想下去，（直到）想不到可能。”林本坚带领团队在半年内发表了3篇论文，一一回应了反对方质疑的技术难题。同时，林本坚还跑遍美国、日本、荷兰与德国，与业界开展了深入沟通，林本坚说他从张忠谋身上学到的重要一课是沟通。他的努力终于有了回报，阿斯麦发现，林本坚是对的，于是与台积电开展了合作。最终，台积电和阿斯麦于2004年共同研发成功全球第一台浸润式微影机。以水为介质的浸润式微影机大受欢迎，而日本尼康与佳能投入巨资研发的157纳米“干式”微影技术从此被搁置，而这也为后来阿斯麦全面超越日本企业埋下了伏笔。1978年，美国旋翼机公司(GCA)在全球推出第一台光刻机，此后尼康、佳能和阿斯麦快速跟进，后三者逐步垄断了光刻机市场，其中尼康的市场份额曾长期占据50%以上。193纳米光刻技术问世后，阿斯麦后来居上，尤其是浸润式光刻技术使其在与尼康、佳能的竞争中获得了极大的优势。由于集成电路的投资成本极高，因而能够满足精确度和成本要求、工艺的延伸性非常强的阿斯麦产品成了首选。在英特尔不再采购尼康的光刻机后，阿斯麦事实上已经成为市场的绝对主导。阿斯麦于2000年推出了光刻平台TWINSCAN。该系统采用阿斯麦独有的双工作台(dual-stage)晶圆处理技术，由两个平台交替执行测量对位和微影功能，因此能不间断地完成微影工艺，同时大幅提高了工作效率与对位精度。双工作台与浸润式光刻机的发展，成了阿斯麦超越对手的起点。2012年，随着英特尔、三星和台积电对阿斯麦的投资，后者的主导地位进一步确立。在光刻工艺中，掩膜板(Photomask)又称掩膜、光掩膜、光刻掩膜板，是集成电路制造中“底片”转移用的高精密工具，是下游电子元器件制造业流程衔接的关键，决定着下游产品的精度和质量。随着全球集成电路向10纳米以下制造工艺技术的发展，对掩膜的产品质量要求越来越高，具体表现为其线缝精度要求已从微米级向纳米级发展。全球专业的掩膜公司有美国的福尼克斯(Photronics)，中国台湾地区的台湾掩膜，日本的凸版印刷株式会社(Toppan Printing)、豪雅光学(Hoya)、SK电子(SK-Electronics)等。随着工艺的进一步发展，专业掩膜厂商的市场份额已经逐步取代晶圆制造厂自身需要的掩膜厂商份额，而且在10纳米以下工艺发展中呈现集中化的趋势。极紫外光刻技术是阿斯麦攻坚克难过程中的顶级技术。浸润式微影机的发展，使曝光与显影的线距得以缩至45纳米、32纳米。在22纳米工艺中，双重/多重显影技术(Double/Multi Patterning Technology)运用时，曝光镜头设计和掩膜设计都已经越来越复杂。后来，在16/14纳米工艺中，除导入等离子体或电子束(E-Beam)、多重曝光显影(Multiple Patterning Lithography)等新技术外，人们对极紫外光刻技术有了更多的期待。极紫外光刻技术采用高功率的二氧化碳激光器，波长仅13.5纳米，是氟化氩激光光波长193纳米的1/14。与氟化氪、氟化氩激光穿透石英玻璃搭配光阻的曝光显影方式不同，极紫外光必须在真空环境下曝光—空气、石英玻璃与掩膜保护膜等任何材料都会吸收极紫外光。因此，极紫外光刻采用反射式掩膜—利用反射镜片及聚光多层膜反射镜将掩膜上的图案反射、聚焦到曝光盒。但是，这种处理方式又带来了多层膜反射镜吸收大量极紫外光源问题。除了上述问题，以及超高功率激光光源、真空环境带来的洁净度控制等挑战外，过短波长的绕射现象造成的掩膜、晶圆边缘过度曝光等问题，也会导致晶圆合格率不佳和频繁检测等问题。
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