光刻机大败局

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光刻机大败局

虎嗅APP 虎嗅网 2020-06-01



本文来自微信公众号:远川科技评论(ID:kechuangych),作者:刘芮、邓宇,支持:远川研究所科技组,头图来自:视觉中国


在芯片领域,有一样叫光刻机的设备,不是印钞机,但却比印钞机还金贵。


历数全球,也只有荷兰一家叫做阿斯麦(ASML)的公司集全球高端制造业之大成,一年时间造得出二十台高端设备,台积电与三星每年为此抢破了头,中芯国际足足等了三年,也没能将中国的首台EUV光刻机迎娶进门。


但其实,早在上世纪80年代,阿斯麦还只是飞利浦旗下的一家合资小公司。全司上下算上老板31位员工,只能挤在飞利浦总部旁临时搭起的板房里办公。一出门就能看到板房旁边一只巨大的垃圾桶。出门销售,也只能顶着母公司的名义,在对手的映衬下,显得弱小、可怜,又无助。



不过说起来,作为半导体行业“皇冠上的明珠”,光刻机的本质其实与投影仪+照相机差不多,以光为刀,将设计好的电路图投射到硅片之上。在那个芯片制程还停留在几十纳米的时代,能做光刻机的企业,少说也有数十家,而尼康凭借着相机时代的积累,在那个日本半导体产业全面崛起的年代,正是当之无愧的巨头。


短短四年,就将昔日光刻机大国美国拉下马,与旧王者GCA平起平坐,拿下三成市场份额。手里几家大客户英特尔、IBM、AMD、德州仪器,每天排队堵在尼康门口等待最新产品下线的热情,与我们如今眼巴巴等着阿斯麦EUV光刻机交货的迫切并无二致。


但谁也不曾想,二十年不到,风光对调,作为美国忠实盟友的阿斯麦一跃翻身,执掌起代工厂的生杀大权,更成为大国博弈之间的关键杀招。“如果我们交不出EUV,摩尔定律就会从此停止”,阿斯麦如是说。


但这真的只是一个盛产风车、郁金香的国家,凭借一个三十多人的创始团队,所诞生的一个制造业奇迹,半导体明珠吗?


其实,从那台等了整整三年还未曾交付的EUV背后,我们不难看出背后真正的赢家。


灰姑娘翻身做王后背后,绵延十多年的,是封锁与反抗,也是复仇与合作。


Part.1


从市场角度出发,作为上世纪九十年代最大的光刻机巨头,尼康的衰落,始于那一回157nm光源干刻法与193nm光源湿刻法的技术之争。


背后起主导作用的,是由英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出的一个叫做摩尔定律的产业规范:集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18至24个月就会增加一倍(相应的芯片制程也会不断缩小)。而每一次制程前进,也会带来一次芯片性能的飞跃。


这是对芯片设计的要求,但同时也在要求光刻机必须领先设计环节一步,交付出相应规格的设备来。


几十纳米时代的光刻机,门槛其实并不高,三十多人的阿斯麦能轻易入局这个行业,连设计芯片的英特尔也可以自己做出几台尝尝鲜,难度左右不过是把买回来的高价零件拼拼凑凑,堆出一台难度比起照相机高深些许的设备。


尼康与他们不同的是,对手靠的是产业链一起发力,而尼康的零件技术全部自己搞定,就像如今的苹果,芯片、操作系统大包大揽,随便拿出几块镜片,虽不见得能吊打蔡司,但应付当时的芯片制程却是绰绰有余的。


但造芯也好,造光刻机也好,关卡等级其实是指数级别增加的,上世纪90年代,光刻机的光源波长被卡死在193nm,成为了摆在全产业面前的一道难关。


雕刻东西,花样要精细,刀尖就得锋利,但是要如何把193nm的光波再“磨”细呢?大半个半导体业界都参与进来,分两队人马跃跃欲试:


尼康等公司主张在前代技术的基础上,采用157nm的 F2激光,走稳健道路。


新生的EUV LLC联盟则押注更激进的极紫外技术,用仅有十几纳米的极紫外光,刻十纳米以下的芯片制程。


但技术都已经走到这地步,不管哪一种方法,做起来其实都不容易。


这时候台积电一个叫做林本坚的鬼才工程师出现了:


降低光的波长,光源出发是根本方法,但高中学生都知道,水会降低光的波长——在透镜和硅片之间加一层水,原有的193nm激光经过折射,不就直接越过了157nm的天堑,降低到132nm了吗!



林本聪拿着这项“沉浸式光刻”方案,跑遍美国、德国、日本等国,游说各家半导体巨头,但都吃了闭门羹。甚至有某公司高层给台积电COO蒋尚义捎了句狠话,让林本坚“不要搅局”。[1]


毕竟这只是理想情况,在精密的机器中加水构建浸润环境,既要考虑实际性能,又要操心污染。如果为了这一条短期替代方案,耽误了光源研究,吃力不讨好只是其次,被对手反超可就不好看了。


于是,尼康选择了在157nm上一条道走到黑,却没意识到背后有位虎视眈眈的搅局者。


当时尚是小角色的阿斯麦决定赌一把,相比之前在传统干式微影上的投入,押注浸润式技术更有可能以小博大。于是和林本坚一拍即合,仅用一年时间,就在2004年拼全力赶出了第一台样机,并先后夺下IBM和台积电等大客户的订单。



尼康晚了半步,很快也就亮出了干式微影157nm技术的成品,但毕竟被阿斯麦抢了头阵,更何况波长还略落后于对手。等到一年后又完成了对浸润式技术的追赶,客户却已经不承认“老情人”,毕竟光刻机又不是小朋友玩具,更替要钱,学习更要成本。


但这一切还只是个开始。


Part.2


两千年初踏错了干刻湿刻的选择之前,其实早于1997年,在美国政府一手干预下,尼康被EUV LLC排挤在外时,就已经注定了如今光刻机市场一家独大的结局。


前面提到,当年为了尝试突破193nm,英特尔更倾向于激进的EUV方案,于是早在1997年,就攒起了一个叫EUV LLC的联盟。


联盟中的名字个个如雷贯耳:除了英特尔和牵头的美国能源部以外,还有摩托罗拉、AMD、IBM,以及能源部下属三大国家实验室:劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利实验室。


这些实验室是美国科技发展的幕后英雄,之前的研究成果覆盖物理、化学、制造业、半导体产业的各种前沿方向,有核武器、超级计算机、国家点火装置,甚至还有二十多种新发现的化学元素。


资金到位,技术入场,人才云集,但偏偏联盟中的美国光刻机企业SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落,根本烂泥扶不上墙。于是,英特尔想拉来尼康和阿斯麦一起入伙。但问题在于,这两家公司,一个来自日本,一个来自荷兰,都不是本土企业。


偏偏,美国政府又将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术,并不太希望外国企业参与其中,更何况八十年代在半导体领域压了美国风头的日本。


但EUV光刻机又几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。光源功率要求极高,透镜和反射镜系统也极致精密,还需要真空环境,配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也不高。别说日本与荷兰,就算是美国,想要一己之力自主突破这项技术,也是痴人说梦。


美国自然不会给日本投诚然后扼住美国半导体咽喉的机会。在一份提交给国会的报告之中,专家明确指出“尼康可能会将技术转移回日本,从而彻底消灭美国光刻机产业”。[2]


日本是敌人,但荷兰还是有改造成“美利坚好同志”的机会的。


为了表现诚意,阿斯麦同意在美国建立一所工厂和一个研发中心,以此满足所有美国本土的产能需求。另外,还保证55%的零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查。所以为什么美国能禁止荷兰的光刻机出口中国,一切的原因都始于此时。[3]


但不管怎么说,美国能源部还是和阿斯麦达成了协议,允许其加入EUV LLC,共同参与开发,共享研究成果。


6年时间里,EUV LLC的研发人员发表了数百篇论文,大幅推进了EUV技术的研究进展,割地求和的阿斯麦虽然只是其中的小角色,但也有机会分得一杯羹。


分享技术只是一方面,收购走后门其实也是美国送给阿斯麦的一份大礼。2009年,美国的Cymer公司研发出EUV所需的大功率光源,成为阿斯麦的供应商,更在四年后以25亿美元高价直接被并购。别忘了,这可是光刻机的核心零件,这样顶尖的技术,全球范围也不超过三家。


毫不夸张的说,阿斯麦虽然是一家荷兰企业,但崛起的背后,其实是一场地地道道的美国式成功。


Part.3


错失EUV关上了尼康光刻机的大门,而盟友的背叛则彻底焊死了尼康想要突围的出路。


说实话,当年的英特尔为了防止核心设备供应商一家独大,还是其实挺想带着尼康一起玩的。


32nm工艺制程时甚至独家采用尼康的光刻机,而之前的45nm,之后的22nm,也都是尼康和阿斯麦同时供货。就连在2010年的LithoVision大会上,英特尔还宣布将一直沿用193nm沉浸式光刻至11nm节点。


但备胎终究是备胎,一转身,英特尔就为了延续摩尔定律的节奏,巨资入股阿斯麦,顺带将EUV技术托付。


另一边,相比一步步集成了全球制造业精华的阿斯麦,早年间就习惯单打独斗的尼康在遭遇美国封锁后,更是一步步落后,先进设备技术跟不上且不提,就连落后设备的制造效率也迟迟提不上来。


当年,相同制程,阿斯麦宣称“每小时可加工175~200片晶圆”,而尼康的数据是“每小时200片”。


但果真如此吗?这背后涉及到了一个叫做稼动率的制造业名词。简单理解为一台机器设备实际的生产数量与可能的生产数量的比值。


使用阿斯麦的设备,三星与台积电的稼动率常年维持在95%上下,一个词语概括,靠谱!


但反观尼康,被迫自研,什么零件都能做,但又总是差点意思。导致同一批次的相同设备,每一台的性能都不尽相同。就像买了二十台苹果手机,这台只能发微信,那台只能刷视频,剩下18台还正送检维修。


设备虽便宜,但稼动率最多只能达到50%左右,对晶元代工厂来说,实在不划算。[7]


因此,英特尔新CEO上任后,立刻抛弃了尼康,甚至就连大陆的芯片代工厂都看不上尼康,生产出的设备,只能卖给三星、LG、京东方,用来生产面板。


这边旧人哭,那边新人笑:2012年,英特尔连同三星和台积电,三家企业共计投资52.29亿欧元,先后入股阿斯麦,以此获得优先供货权,结成紧密的利益共同体。


站在EUV LLC的肩膀上,背靠美国支持,又有客户送钱,阿斯麦自此正式成为“全村的希望”,在摘取EUV光刻机这颗宝石的道路上,一路孤独地狂奔。


终于,在2015年,第一台可量产的EUV样机正式发布。正所谓机器一响,黄金万两,当年只要能抢先拿到机器开工,就相当于直接开动了印钞产线,EUV光刻机也因此被冠上了“印钱许可证”的名号。



而在这台机器价值1.2亿美元,重达180吨的巨无霸设备背后,实际上90%的部件均来自外部厂商,美国和欧洲的更是其中代表。


整个西方最先进的工业体系,托举起了如今的阿斯麦。而一代霸主尼康,也自此彻底零落在历史的尘埃之中。


参考资料

[1] 拉下尼康,ASML 是如何一举称王的,魔铁的世界

[2] Cooperative Research and DevelopmentAgreements and Semiconductor Technology: Issues Involving the “DOE-IntelCRADA”, CRS Report for Congress

[3] U.S. gives ok to ASML on EUV effort,EE Times

[4] 光刻机详解(1):光源系统篇,qbdp

[5] EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹,魔铁的世界

[6] 光刻机之战,金捷幡

[7] 失去的制造业:日本制造业的败北,汤之上隆


本文来自微信公众号:远川科技评论(ID:kechuangych),作者:刘芮、邓宇


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