現在，幾乎無人不識光刻機，今天最先進的EUV光刻機其本與一架新的波音噴氣式客機一樣高。在光刻機的發展歷程中，有前赴后繼的各國廠商，美國發明，日本發揚，荷蘭成為最終贏家。

　　今天我們就要討論下，美國作為光刻技術的發明者，是如何一步步丟失掉半導體制造這一關鍵環節的。美國光刻技術的研究，從貝爾實驗室的研究開始，到Fairchild的改進，再到GCA公司成為第一家制造步進設備的公司，再到Cobilt和P-E公司的不斷發展演進，直到美國最后一家光刻技術公司SVG被ASML收購，一個個早期的公司相繼被收購、剝離、解散，美國逐漸失去了擁有光刻機的機會。

　　始于貝爾實驗室

　　早在1950年代中期，貝爾實驗室就開始嘗試將圖像打印到硅片上。1955年，貝爾實驗室的Jules Andrus和Walter L. Bond開始采用現有的光刻（也稱為光刻）技術在印刷電路板上制作圖案，使用 Frosch 和 Derick 的二氧化硅層在硅片上產生更精細、更復雜的設計。在該層上涂上光敏涂層或“抗蝕劑”，并通過光學掩膜將所需的圖案暴露在該層上，然后在未暴露的抗蝕劑被沖洗掉的地方，通過化學蝕刻確定精確的窗口區域。雜質通過這些開口擴散到下面的硅中，形成半導體器件所需的n型硅和p型硅區域。

　　1957年，美國陸軍Diamond Ordnance Fuse實驗室的Jay Lathrop和James Nall在早期嘗試將電子電路小型化時獲得了光刻技術的專利，該技術用于沉積約200微米寬的薄膜金屬條，以連接陶瓷基板上的分立晶體管。他們還使用這些技術在二氧化硅中蝕刻孔以制造二極管陣列。1959 年，Lathrop 加入德州儀器，Nall去了Fairchild。繼這項開創性的工作之后，Jay Last 和 Robert Noyce于1958年在Fairchild制造了首批“步進重復”相機之一，利用光刻技術在單個晶圓上制造了許多硅相同的晶體管。

　　光刻先驅GCA公司的崛起和沒落

　　GCA 是被稱為光刻的重要芯片制造技術的先驅。1959年的今天，GCA收購了David W. Mann。1961年，GCA公司的David W. Mann部門是第一家制造商業步進和重復掩模減少設備（photo-repeaters）的公司。光中繼器是晶圓步進機的前身。

　　1975年，GCA推出了首個用于抗蝕劑加工的晶圓軌道。1978年，GCA推出DSW 4800，第一個成功的晶圓步進器（g線，10X，蔡司0.28NA鏡頭，10mmX10mm場尺寸），價格在450美元。GCA的早期客戶包括IBM、ATT、Fairchild、國家半導體和西門子等。雖然實際的發布是在78年，但測試工具是在77年交給IBM的。步進器徹底改變了半導體模式，步進顯示了更低的缺陷率，顯著更好的覆蓋性能，和更好的收率。然而，與Perkin Elmer（下文有提到）的投影對準儀相比，其吞吐量較低。256K DRAM這一代產品真正讓步進器成為主流光刻工具。

　　然而，1980年尼康推出日本首個商用步進機NSR-1010G。尼康的成功擊敗了GCA。尼康通過生產比GCA更高分辨率的鏡頭吸引了客戶。尼康能夠以5倍的分辨率的減少實現1?m的分辨率，而不是10倍。有了這個步進器，機器就不再“慢”了。GCA想努力趕上這一發展，但蔡司是他們唯一的鏡頭供應商，他們很難及時儲備足夠的材料。因此，GCA在交付具有競爭力的工具時有所延遲。GCA也從在日本的步進市場份額從1981年的68%下降到1983年的45%左右。

　　1982年，GCA從Coherent Laser公司購買了Tropel透鏡制造單元。1985年研發出了第一臺為貝爾實驗室開發的DUV步進器。“GCA當時花了500萬美元開發第一個g-line步進器。其i-line步進器的開發成本為2500萬美元，DUV步進器的開發成本為1.4億美元?！痹?988年的SEMI工業戰略研討會（ISS）上Neil Bonke說到。

　　1985-1986 年，GCA在兩年內損失1億美元，裁員70%，只有1000人。1988年，General Signal以7600萬美元收購了陷入財務困境的GCA。隨后，Sematech資助GCA開發KrF步進器。1993年1月，General Signal宣布其打算剝離其半導體設備公司。1993年5月，因為沒有找到買家，General Signal關閉GCA。這些知識產權被轉移到集成解決方案公司（ISI），該公司后來在1998年被Ultratech公司收購。自此，一代光刻技術的先驅者GCA的詩篇就被翻過去了。

　　Cobilt被Perkin-Elmer擠下歷史舞臺

　　另外一家要說的美國光刻企業是Cobilt，在說Cobilt之前，還有很多背景需要先看下。在1960年代，接觸式印刷是在IC晶圓上曝光圖案的主要技術，在60年代早期，芯片制造商開始自己制造設備。Kulicke & Soffa（簡稱：K&S）是第一個銷售商業工具的公司。他們非常成功，在60年代幾乎占據了100%的市場份額（盡管很?。?。1970年，K&S與Computervision公司合作開發了第一臺自動對準儀，并在WESCOM展會上提供。K&S在出售50多臺后，對該事業失去了興趣，退出了該事業。

　　后來，Kasper Instruments成為接觸式對準器主要供應商，到1973年，該公司占領了觸點對準器大約一半的市場。接觸式對準器使用簡單快捷，但需要將掩模和晶圓直接接觸，可能會損壞掩?；蛭廴揪A。為了解決這些問題，在1973年引入了接近對準器（Proximity aligner）。從1974年開始，Kasper出售的對準器中有將近一半具備這種能力，但因為其不太好用，再加上佳能的競爭，銷量穩步下降，公司在1981年離開了這個行業。

　　然后Kasper Instruments的三位工程師出去創立了一家制造接觸式打印機的的公司Cobilt。1970年以后，Cobilt開發光刻晶圓片track技術，不過track業務最終出售給了日本的東京電子（Tokyo Electron Ltd.），這也成為東京電子track的起源。

　　Cobilt還制造了機械對準器（mechanical aligners），該對準器打印半導體晶圓的技術比當時的標準要好一些，并且該機器有一個自動對齊包，可以讓你更精確地對齊層。這種機器在世界各地銷售了數百臺，直到投影打印對準器占據主導地位。

　　Cobilt之后就是Perkin-Elmer（簡稱P-E），它的崛起也擊敗了Cobilt。1973年，Perkin-Elmer公司推出了microralign投影掃描儀，這是一項早期空軍研究合同的成果。當掩模對準器從接觸式掩模對準器進入所謂的投影對準器，也就是將掩模的圖像投影到晶圓上時，P-E公司就完全占領了這個市場。1979年，microralign的價格為17萬美元。microralign當時售出了2000多臺機器。1981年，P-E宣布Micralign 500投影機器每小時能生產100片晶圓，Micralign 500的價格為67.5萬美元。

　　Cobilt曾試圖也建造一個投影打印的對準器，但卻以失敗告終。1981年，Cobilt光刻曝光工具業務被應用材料收購，應用材料公司希望通過這種方式將光刻工具添加到他們的產品組合中，但最終解散了Cobilt部門。

　　到1980年代后期，日本步進供應商的主導地位凸顯，美國芯片制造商開始感到擔憂，為了開發光刻領取的替代品，英特爾與歐洲的一家公司Censor 合作，但步進器的制造非常復雜且昂貴，而且開發速度太慢。而佳能和尼康步進機性能很好，在美國沒有可比的設備，最終英特爾選擇購買了日本的設備。Censor也于1984年被賣給了 Perkin-Elmer。

　　1989年4月，P-E宣布將退出半導體設備業務，在IBM和其他五家公司的投資下，P-E剝離了其電子束光刻部門Etec。接下來就是SVG的故事了。

　　終于SVG

　　彼時在1990 年代，硅谷集團（Silicon Valley Group，簡稱SVG）在新任命的首席執行官 Papken Der Torossian的領導下擴展到光刻領域。SVG曾試圖收購GCA，但交易未成。然而，SVG卻成功地獲得了P-E與 IBM 聯合開發的下一代步進掃描系統 Micrascan，于1990年以2000萬美元收購了P-E的光刻業務。在惠普和尼康的談判推動下，IBM也對P-E進行了15%的財務投資。

　　但SVG的Der Torossian表示，這需要數千萬美元的研發資金和兩年半的時間才能修復系統中的錯誤?！八麄兊臋C器無法工作，平均故障間隔時間不到一小時。IBM 無法使用它。但它擁有非常好的基礎技術”。

　　1990-1993年，Sematech財團花費約3000萬美元幫助SVG開發Micrascan。1990年，行業首個步進掃描工具Micrascan問世。1992年6月，Micrascan II推出。1993年SVG想與佳能討論共享步進掃描技術。但由于美國政府施壓，不允許向日本轉讓技術，談判在一年后結束。然而，在91- 94年期間，它每年只賣出不到10臺。

　　1996年SVG推出Micrascan III，可切換到準分子激光源，NA從0.4 - 0.6不等。1999年引入Micrascan 193工具（NA = 0.6）。英特爾、摩托羅拉和德州儀器在1995年總共投資了3000萬美元入股SVG，以加速該工具的開發。以英特爾和IBM為主要客戶的Micrascan III，以及隨后的IV和V型號，每年售出約50臺，并讓SVG存活了一段時間。

　　1980年，美國供應商占據了litho工具市場90%的份額。到1990年，它已跌至10%。GCA和Ultratech各占約4-5%，SVG約1%。他們甚至落后于最新的競爭者ASML。

　　據SemiWiki的報道，1992年當時還隸屬于飛利浦的ASML正在尋求買家，當時飛利浦找到了SVG的Der Torrossian，欲以6000萬美元的價格出售ASML，但當時SVG沒有這么多錢，希望以股份制建立合資企業，而飛利浦需要現金?，F金的短缺讓美國喪失了保留先進光刻技術的機會。

　　2000年10月兩極反轉，ASML宣布意向以16億美元收購SVG，ASML需要157nm光刻的折射率和CaF技術。最終在2001年5月，ASML成功收購了SVG Lithography。2001年11月，SVG的Micrascan 248nm和193nm工具停產。美國最后一家主要的光刻公司落幕。

　　結語

　　美國在光刻技術上的衰敗，受到了來自日本尼康和佳能的阻擊，但誰也沒想到，就是這么一個光刻機，ASML卻潛心專注研究了幾十年，如今無人能敵。