La litografia è probabilmente il passo più importante nella produzione di semiconduttori. Gli scanner EUV all'avanguardia di oggi sono macchine incredibilmente complesse che costano quanto un nuovo aereo di linea Boeing.
Dalle umili origini nel 1984 come joint venture con Philips, ASML è cresciuta fino a diventare il secondo produttore mondiale di apparecchiature per chip e l'unico fornitore di macchine EUV.
“Litografia perdente”, un episodio della serie di podcast The Chip Warriors, fornisce un resoconto di prima mano di come gli Stati Uniti hanno inventato, e poi perso, questa parte fondamentale del processo di produzione dei chip. L'episodio si basa su interviste con pionieri di Fairchild Semiconductor, David W Mann Co, Cobilt, GCA, Nikon e Silicon Valley Group (SVG), tra gli altri.
I primi tentativi di stampare immagini su wafer di silicio furono intrapresi presso i Bell Labs a metà degli anni '1950. Più tardi quel decennio, Fairchild migliorò il processo per produrre transistor.
"Abbiamo deciso di utilizzare la fotoresistenza per delineare le aree", ha affermato Jay Last, uno degli otto cofondatori originali di Fairchild, insieme a Bob Noyce.
“I Bell Labs avevano fatto alcuni sforzi lì e pensavano che fosse semplicemente impossibile lavorare con questo, quindi non hanno mai perseguito l'idea. Bob [Noyce] e io abbiamo lavorato con Kodak e ci hanno fornito le migliori resistenze che avevano in quel momento e gradualmente abbiamo avuto un rapporto di lavoro con loro che le resistenze hanno continuato a migliorare costantemente.
"Ci sono stati molti problemi tecnici e contrattempi tecnici, ma abbiamo semplicemente detto che lo avremmo utilizzato e che dovevamo farlo funzionare - e lo abbiamo fatto."
Negli anni '1960 gli allineatori per maschere a contatto venivano utilizzati per la stampa di wafer, con Kulicke & Soffa il primo a introdurli commercialmente. Successivamente, Kasper Instruments divenne il fornitore dominante, ma quando tre ex ingegneri Kasper fondarono la propria società, chiamata Cobilt – e fu acquisita dal colosso CAD Computervision con sede a Boston nel 1972 – emerse un nuovo paradigma per la stampa di wafer.
“Cobilt ha realizzato allineatori meccanici che stampavano il wafer semiconduttore con una tecnologia leggermente superiore rispetto allo standard del giorno. E Computervision disponeva di un pacchetto di allineamento automatico che permetteva di allineare gli strati in modo più esatto”, ha affermato Sam Harrell, che si è trasferito da Computervison alla costa occidentale per ricoprire il ruolo di vicepresidente dell'ingegneria di Cobilt.
“Abbiamo venduto centinaia di macchine in tutto il mondo. Ha realmente regnato finché non è diventato dominante il periodo delle stampanti a proiezione”.
Ed Segal, che vendeva allineatori presso Kasper prima di unirsi a Cobilt, vide come Cobilt perse la sua leadership quando Perkin-Elmer sviluppò l'allineatore per maschere di proiezione.
"Quando l'allineatore per maschere è passato alla fase successiva da allineatore per maschera a contatto a quello che veniva chiamato allineatore per proiezione, o proiezione dell'immagine della maschera sul wafer, Perkin-Elmer è intervenuto e ha conquistato quel mercato", ha affermato Segal. . “Cobilt ha tentato di costruirne uno ed è stato davvero un grosso fallimento. E alla fine l’azienda fu venduta ad Applied Materials nel 1981.”
Jim Gallagher gestiva l'attività di apparecchiature per semiconduttori presso GCA, che era leader mondiale nella litografia prima di cedere il mercato alle aziende giapponesi negli anni '1980. Nel podcast racconta la fine dell'azienda dopo che fornitori giapponesi come Nikon e Canon sono diventati leader di mercato.
“Abbiamo iniziato a svendere le operazioni come meglio potevamo. Ma quando stai andando in discesa, per così dire, non è il momento di iniziare a vendere perché quello che stai facendo è che tutti conoscono il tuo problema e ti daranno i prezzi più bassi. Quindi quello è stato l’inizio della nostra diapositiva”, ha detto Gallagher.
Alla fine degli anni ’1980, il predominio dei fornitori giapponesi di stepper era motivo di preoccupazione per i produttori di chip americani. Nel tentativo di sviluppare una fonte alternativa, Intel ha collaborato con Censor, una società europea. Tuttavia, il tentativo fallì e la Censor fu venduta alla Perkin-Elmer nel 1984.
Il cofondatore di Intel Gordon Moore ricorda la preoccupazione di allora. “I grandi passi in avanti venivano da Canon e Nikon. Negli Stati Uniti non esisteva un'attrezzatura paragonabile e quella era una parte fondamentale dell'intero processo.
“Avevamo un programma importante con una società del Liechtenstein [Censor] per realizzare uno stepper. Molto sofisticati ma anche molto costosi, e lo sviluppo è stato troppo lento perché potessero avere un vero impatto sul mercato. Alla fine abbiamo acquistato attrezzature giapponesi perché erano le migliori disponibili e non esisteva una fonte alternativa per questo."
Shoichiro Yoshida, che in seguito sarebbe diventato CEO di Nikon, progettò la prima fotocamera step-and-repeat dell'azienda per la produzione di semiconduttori. Nel podcast, ascoltalo descrivere (in inglese) il primo sviluppo degli stepper presso Nikon.
Nelle 1990s, SVG si espanse nel settore della litografia sotto la guida del nuovo CEO Papken Der Torossian. SVG aveva tentato di acquistare GCA ma l'accordo non si è mai concretizzato e GCA è stata venduta a General Signal nel 1988.
Tuttavia, Der Torossian è riuscito ad acquisire un sistema step-and-scan di nuova generazione, Micrascan, sviluppato da Perkin-Elmer in associazione con IBM, ma ha affermato che sono stati necessari decine di milioni in ricerca e sviluppo e due anni e mezzo per realizzarlo. correggere i bug nel sistema. Il risultato è stato il Micrascan II.
“La macchina che avevano non funzionava, aveva un tempo medio tra i guasti inferiore a un'ora. IBM non poteva usarlo. Ma aveva un’ottima tecnologia di base”, ha detto.
Der Torrossian spiega come la carenza di liquidità abbia portato alla mancata opportunità di mantenere la litografia avanzata negli Stati Uniti.
“Nel '92 l'ASML sanguinava. La Philips ne era proprietaria e venne da me per acquistare ASML per 60 milioni di dollari. Non avevo 60 milioni di dollari. Ho detto loro: "Vi darò lo stesso numero di azioni, quindi creiamo una joint venture". Hanno detto: 'No, Philips ha bisogno di contanti.'"
Nel 2001, l’ASML aveva dato una svolta all’attività e finì per acquistare la SVG – l’ultima grande azienda di litografia statunitense – per 1.6 miliardi di dollari. L'accordo è stato ritardato di diversi mesi per motivi di sicurezza nazionale, ma alla fine è stato approvato dall'amministrazione George W. Bush dopo che l'ASML ha accettato di cedere l'unità Tinsley Labs della SVG.
La serie di podcast di Chip Warriors, scritto e prodotto da Craig Addison, si basa sulle interviste di storia orale SEMI condotte tra il 2004 e il 2008. Le interviste sono state utilizzate su licenza di SEMI, che non è affiliata al podcast.
I pionieri della litografia sono raffigurati in questo dipinto commissionato da SEMI nel 1980. Da sinistra, il team dietro l'allineamento della maschera di proiezione di Perkin-Elmer (Abe Offner, Jere Buckley, David Markel e Harold Hemstreet) e a destra, Burt Wheeler, inventore principale del ripetitore fotografico presso David W. Mann Co.
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