孙兴村 | 美国推动极紫外光刻技术转化的做法

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极紫外光刻机是生产小于5纳米的芯片晶圆的必备工具，全球只有荷兰阿斯麦一家公司能够生产，但其核心技术却来自美国能源部下属的国家实验室。1996年，美国能源部成立了由劳伦斯伯克利、劳伦斯利弗莫尔和桑迪亚国家实验室组成的虚拟国家实验室，与芯片制造商、光刻机集成商及设备和材料供应商合作，推动极紫外技术成功实现转移转化。

一、政府和企业接力投资开发技术

20世纪80年代末，在里根总统“星球大战”计划资助下，美国劳伦斯利弗莫尔等国家实验室研发出极紫外技术。随着90年代相关技术的成熟，美国政府不再向国家实验室的极紫外项目提供资金，迫使其寻求私营部门的资助。为便于与私营部门合作，能源部长推动这三个国家实验室组成虚拟国家实验室。

1997年，美国三家芯片制造商因特尔、AMD和摩托罗拉合资创办了极紫外有限责任公司（以下简称“极紫外公司”），以专门负责投资和转化极紫外技术。该公司实行股份制，每股500万美元，允许符合一定条件的企业入股。3月，虚拟国家实验室与极紫外公司签署一份合作研发协议，由后者出资2.5亿美元，支持极紫外技术和工具的开发。此后，德国英飞凌科技、美国美光科技和IBM等芯片制造商相继入股极紫外公司。2001年4月，桑迪亚国家实验室交付极紫外光刻机α样机，标志着极紫外技术的商业化转化达到一个关键里程碑；9月，极紫外公司将与虚拟国家实验室的合作研发协议延期三年，并追加0.65亿美元投资，使总投资达到3.15亿美元。

图1 极紫外光刻技术发展历程

二、企业统筹协调知识产权的转移

极紫外技术的转化伴随着知识产权从国家实验室向企业的转移，特别是向光刻机集成商、芯片设备和材料供应商的转移，这种转移均通过极紫外公司完成。极紫外公司迅速与美国光刻机集成商硅谷集团和先进光刻公司签署合作协议，并于1999年引入著名光刻机集成商阿斯麦公司。阿斯麦不是美国公司，经过能源部力排众议批准后才参与进来，其于2001年收购了硅谷集团，成为极紫外技术转移的最大受益者。

图2 极紫外光刻机原理图

根据合作研发协议，极紫外公司获得了几乎所有的知识产权，国家实验室仅保留国防目的的使用权和特殊情况的介入权。为促进技术和知识的转移，极紫外公司同步开展五项工作：一是开发α版工程测试样机；二是开发β版样机；三是建造实用型光刻机；四是由芯片制造设备和材料供应商投资开发掩膜和光刻胶；五是建设开发极紫外专用部件的基础设施。其中，三个国家实验室负责设计、建造和测试α版样机，然后将从中学到的知识转移至光刻机集成商由其开发β版样机，进而制造出实用型光刻机。

图3 同步研发α版和β版样机以及实用型光刻机

光刻机集成商、芯片设备和材料供应商可免费或缴纳少量费用就使用极紫外公司持有的专利技术，条件是它们必须优先满足极紫外公司股东对光刻机的需求，然后才能向其他公司出售并按销售额缴纳技术使用费。在极紫外公司注销后，相关的优先购买权和知识产权权益由其股东继续享有。

三、系统组织和实施样机研制项目

极紫外公司采取“有限责任公司”这种灵活的组织方式，以股份制和股东治理的方式，汇聚了主要芯片制造商资金，支持国家实验室继续开发极紫外技术。其中，劳伦斯利弗莫尔拥有光学、精密工程和多涂层方面的能力，负责开发光学系统和部件、薄膜、掩膜和亚微米计量工具，获得45%经费；桑迪亚拥有系统工程、光活性聚合物薄膜、光源方面的能力，负责样机的系统集成，获得45%经费；劳伦斯伯克利提供可产生极紫外光的先进光源，获得10%经费。

图4 桑迪亚国家实验室组装完成的α版工程测试样机

极紫外公司和国家实验室制定了详细的项目规划，明确了所有项目开发任务及其相互关系，按既定时间节点推进技术攻关和样机研制工作。极紫外公司及其股东的人员与国家实验室的人员组成了10个联合工作组，分别负责集成样机、掩膜板、图案结构、光学、多涂层、干涉测量、光源、环境、光刻胶等方面事项的协调。为有效整合三个国家实验室的科研资源，虚拟国家实验室在管理上设首席执行官、首席技术官和首席运营官，并分别由3个国家实验室的人员担任。各国家实验室临时抽调人员组成科研团队，并在项目期间对人员进行动态调整。

四、政府机构和行业联盟推动转化

从极紫外技术诞生到2010年阿斯麦公司交付首台生产型极紫外光刻机，极紫外技术的商业化进程长达20多年，除能源部及其所属的国家实验室和以极紫外公司为核心的60余家企业，美国国防高级研究计划局（DARPA）、半导体制造技术战略联盟（SEMATECH）、美国半导体行业协会（SIA）等组织也参与其中，发挥了重要的推动作用。

图5 SEMATECH极紫外项目

特别是，半导体制造技术战略联盟在推动极紫外光刻机应用方面起到了关键作用。在α样机研制成功后，该联盟与大学、国家实验室、供应商、光刻机集成商及其他行业联盟或协会合作，建立了掩模板发展中心和极紫外光刻胶测试中心，启动了极紫外研究计划，这些工作持续推动着全球极紫外基础设施和能力的发展，为极紫外光刻机的最终引入和应用打下了基础。

图6 SEMATECH极紫外光学和曝光工具项目里程碑

图7 2011年台积电完成首台极紫外光刻机安装

（蓝海星：孙兴村）

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