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2.1 佩金埃爾默（Perkin-Elmer）的投影微影機（Micralign）：反射鏡光學解決晶圓刮傷危機#

從經緯儀到晶圓：一家光學老店的意外轉身#

Perkin-Elmer（PE）1937 年成立於康乃狄克，原本是精密光學儀器公司——紅外光譜儀、經緯儀、以及為 U-2 偵察機與間諜衛星（CORONA 計畫）研製的超長焦攝影光學系統。

1970 年代初，APR、TI 等客戶問 PE 一個問題：能不能不用接觸，就把光罩圖形印到晶圓上？

PE 在衛星光學上有一個獨門絕活——Schwartzschild 反射式光學系統：用曲面反射鏡（mirror），乾脆不用透鏡。反射鏡的優點：

  • 沒有折射色差——完美適合所有波長（紫外光忍受度極好）；
  • 對溫度、對材料應力不敏感（透鏡的折射率會溫漂，反射鏡幾乎不會）；
  • 極易做成大孔徑。

Micralign：把整片晶圓「掃」出來#

1973 年，PE 推出 Micralign，全球第一台投影式對準曝光機（projection aligner）：

  • 1:1 全晶圓投影掃描：以一對曲面反射鏡組成左右對稱的光學系統，把光罩圖形1:1 投影到 wafer 上；
  • 非接觸——wafer 與 mask 之間以真空吸盤固定、光罩第一次不需壓在光阻上；刮傷問題就此消失；
  • 掃描式曝光：因為1:1 投影整片晶圓像場太大，成像品質會崩壞；PE 的解法很聰明——利用弧形狹縫（slit），mask 與 wafer 同步移動，像掃描器一樣把整片 wafer「掃」過狹縫——任何一瞬間只在狹縫內成像，解析度就夠高；
  • ±0.5μm 對準精度、約 1μm 解析度——立刻比接觸式大一個世代。

市場的狂歡：掃描投影的十年統治#

結果是爆炸性的成功：

  • 1977 年 Micralign 10:1 標準模型（Micralign 500）不斷改良；
  • 至 1970 年代末，Micralign 是全球合成晶圓廠的絕對主力——Intel、TI、IBM、松下……；1978–1983 年 PE 光刻部門年營收達數億美元；
  • 美國半導體業迎來了「非接觸投影時代」（1977–1985）——良率大幅提升。

但 PE 的勝利藏著兩個隱憂：

  1. 1:1 掃描的極限：mask 必須與 wafer 同尺寸——mask 製造的精度（線寬誤差會被 1:1 原樣印出）成為解析度的天花板，約 1–1.5μm 就撞牆；
  2. 不研發縮小投影：PE 一般認為 1:1 已夠好，未全力投入 縮小投影（reduction projection）——這為 GCA 留下了空間。

歷史因果：Micralign 為什麼輸？#

1980 年代中期，PE 光刻部門急速衰退：

  1. GCA 步進機開始以「5:1 縮小投影 + 分步曝光」輕鬆做出 1μm 以下線寬，mask 可以是 5 倍大、易於製造——這在邏輯上是完全的優勝；

  2. 日本 Nikon 於 1980 年代初推出 NSR 系列，以更快的生產率（throughput）與更便宜價格切入美國市場；

  3. 1983 年 PE 試圖轉型但組織僵化——它是一家「光學器具公司」，對「設備不只賣機器，還要賣服務」的產業新常態反應遲鈍；

  4. 1989 年，PE 光刻部門賣給了Elastat 政治（EL* Si）與後續的 ASM Lithography / Wafer Systems ——幾成的品牌自此正式退出主流微影市場。

一個深刻的教訓#

Micralign 的故事說明了設備產業的最殘酷法則：「你成為世界之王的方法」本身就是你的敵人——1:1 掃描技術的舒服讓 PE 無法主動拋棄自己的核心。下一節的主角（GCA）同樣會在十年後被 swing 技術的步進（stepper）反噬——這是半導體設備業的宿命輪迴。