阿斯麥成為美國可靠的合作夥伴 (第三十二章)

 

80 及 90 年代，荷蘭公司阿斯麥 (ASML) 在日本和美國之間的貿易爭端中被視為中立，大多數人認為，阿斯麥和荷蘭政府是可靠的合作夥伴。美國半導體公司將阿斯麥，視為尼康 (Nikon) 和佳能 (Canon) 的替代者，例如 DRAM  初創公司美光 (Mircon) 寧願支持阿斯麥，也不選擇日本的尼康和佳能的機器。

 

飛利浦在台積電創辦時已成為基石投資者，台積電的晶圓廠是圍繞著飛利浦的製造工藝而設計的，而阿斯麥本來就是飛利浦與ASM的合資企業。最初，阿斯麥和台積電都是晶片行業邊緣的小公司，但它們共同成長，形成了一種親密的夥伴關係。

 

1996 年，英特爾與美國能源部旗下的幾個實驗室建立了合作夥伴關係，這些實驗室在光學和其他領域擁有關於  EUV  的專業知識。英特爾召集了六家晶片製造商加入聯盟，身為領導者的英特爾支付當中  95%  的費用。而尼康和佳能則被排除在美國國家實驗室的研究之外。

 

1999 年 2 月 24 日，《電子工程專輯》報導阿斯麥與美國政府達成一項協議，阿斯麥承諾在美國生產部分機器。儘管這協議似乎合理，但作者無法從美國官員或阿斯麥那裏驗證承諾的存在，它可能是非正式的。現在，阿斯麥在美國康涅狄格州生產部分 EUV 工具，如果阿斯麥曾作出這樣的承諾，那麼阿斯麥正在遵守協議。

 

***

 

EUV 光刻機 (第三十九章)

 

阿斯麥 (ASML) 花近  30  年時間來開發和商業化 EUV  光刻機，並需要在世界各地搜尋最先進的部件，包括最純淨的金屬、最強大的激光器和最精確的感測器等。

 

極紫外光 (EUV)

EUV  (Extreme Ultraviolet) 「極紫外光」，是一種波長極短的紫外光，波長僅13.5 納米。然而，生產  EUV  的難度甚高，首先需要製造一種直徑只有 3,000  萬分之  1 米的小錫球，讓小錫球以每小時  200  英里的速度在真空中移動。然後，用激光對小錫球進行兩次轟擊，第一次是提高小錫球的溫度，第二次是讓小錫球爆炸，把它變成溫度高達  500,000 攝氏度的等離子體，這個溫度已經比太陽表面熱很多倍。這個射擊小錫球的過程每秒要重複  50,000次，這樣才能產生出用來光刻的  EUV。

 

激光器

西盟  (Cymer) 是光刻光源的龍頭供應商，EUV 光源需要一種功率比以往任何激光器都要強大的二氧化碳激光器，以產生足夠大的功率轟擊小錫球。2005 年夏天，西盟找到一家叫通快  (Trumpf)  的德國精密工具公司，開發全新的激光器 。由於每次在激光器產生的能量中，大約 80% 是熱量，只有 20% 是激光，這就出現散熱問題。可是，光刻機要求風扇每秒轉動  1,000  次，由於速度太快，沒有一個物理軸承能承受這樣的風扇。終是，通快專門開發了一個磁懸浮風扇，可以在空中飄浮，從激光器中吸走熱量，亦不會與其他部件發生摩擦。

 

雖然解決了激光器的問題，但用激光轟擊小錫球時，錫球反光怎麽辦？怎樣保證錫球氣體的密度是恒定呢？這些都是難題。尤其是要引導激光打向小錫球，便需要用工業鑽石，可是現有的工業鑽石純度不夠，必須再開發一種新型的超高純度鑽石。結果，通快公司共花了十年時間才把激光器製造出來，這台激光器自己就有  457,329  個零部件。

 

用激光器打錫球的操作成功了，便要把產生出來的 EUV  收集起來，為此你需要鏡子。可是，EUV 的波長太短，打在一般東西上都會被吸收，而不會被反射。研究論文指可以用金屬鉬和硅交替排列，製造能反射  EUV  的鏡子。不過，這個鏡子必須是分層的，即一層金屬鉬和一層硅交替排列，每層的厚度只有幾納米，而且要做 100  層。要製造這樣一個具有納米級精度的反射鏡幾乎是不可能的，但最終，德國公司蔡司  (Zeiss)  還是把這個鏡子做了出來，那應該是有史以來最光滑的物體。如果把鏡子放到整個德國般大，其中凹凸不平的部分，也只有  1/10  毫米。

 

為了精確地引導  EUV，光刻機内的鏡子必須保持完全靜止，這需要機械和感測器高度精確，蔡司也宣稱，其精確度相當於在地球用激光擊中月球上的高爾夫球。

 

利用二氧化碳激光器轟擊小錫球，得到 EUV，再用鏡子把 EUV 收集起來，然後透射到晶片上，難度已甚高。但 ASML 最厲害的本事，並非這些具體的研發工作，而是對供應商的協調和管理。ASML  自己只能生產 15%  的零部件，其餘部分都是從其他公司採購得來的。如果其他公司也沒有現成的零部件，便需要研發，例如通快和蔡司公司，需要投入巨資進行長期研發。

 

光刻機的零件供應商總共有數千家公司，ASML  一方面直接資助其研發，例如向蔡司公司提供 10 億美元去研發鏡子；另一方面，ASML 強調嚴格的標凖和紀律，如果某個供應商不聼話，ASML 可能會直接把它收購下來。這不並開玩笑，阿斯麥最終買下了包括西盟在內的幾家供應商，因為阿斯麥認為自己可以更好地管理它們。

 

經過二、三十年長期研發，到了 2010 年代末，ASML  終於把 EUV  光刻機製造出來。當然，ASML 一家的資金撐不起這麽大的項目，整個研發過程中， Intel、Samsung和台積電都給 ASML  提供了投資，其中投得最多的就是 Intel，總共投資了幾十億美元。

 

如果看完上文筆者講解 EUV  光刻機和激光器打擊小錫球等過程，仍想了解更多，請往以下  youtube  網址觀看 (上述内容由 4:10  開始 –  8:00 結束)

https://www.youtube.com/watch?v=3kiekUAWGsQ&t=718s