波瀾壯闊的光刻機歷史

發布時間 : 2021-3-31 10:05:56    點擊量 : 1860

      在芯片領域，有一樣叫光刻機的設備，不是印鈔機，但卻比印鈔機還金貴。

      歷數全球，也只有荷蘭一家叫做阿斯麥（ASML）的公司集全球高端制造業之大成，一年時間造的出二十臺高端設備，臺積電與三星每年為此搶破了頭，中芯國際足足等了三年，也沒能將中國的首臺EUV光刻機迎娶進門。

        但其實，早在上世紀80年代，阿斯麥還只是飛利浦旗下的一家合資小公司。全司上下算上老板31位員工，只能擠在飛利浦總部旁臨時搭起的板房里辦公。一出門就能看到板房旁邊一只巨大的垃圾桶。出門銷售，也只能頂著母公司的名義，在對手的映襯下，顯得弱小、可憐，又無助。

      不過說起來，作為半導體行業“皇冠上的明珠”，光刻機的本質其實與投影儀+照相機差不多，以光為刀，將設計好的電路圖投射到硅片之上。在那個芯片制程還停留在幾十納米的時代，能做光刻機的企業，少說也有數十家，而尼康憑借著相機時代的積累，在那個日本半導體產業全面崛起的年代，正是當之無愧的巨頭。

      短短四年，就將昔日光刻機大國美國拉下馬，與舊王者GCA平起平坐，拿下三成市場份額。手里幾家大客戶英特爾、IBM、AMD、德州儀器，每天排隊堵在尼康門口等待最新產品下線的熱情，與我們如今眼巴巴等著阿斯麥EUV光刻機交貨的迫切并無二致。

       但誰也不曾想，二十年不到，風光對調，作為美國忠實盟友的阿斯麥一躍翻身，執掌起代工廠的生殺大權，更成為大國博弈之間的關鍵殺招。“如果我們交不出EUV，摩爾定律就會從此停止”，阿斯麥如是說。

      但這真的只是一個盛產風車、郁金香國家，憑借一個三十多人的創始團隊，所誕生的一個制造業奇跡，半導體明珠嗎？

       其實，從那臺等了整整三年還未曾交付的EUV背后，我們不難看出背后真正的贏家。

        灰姑娘翻身做王后背后，綿延十多年的，是封鎖與反抗，也是復仇與合作。

Part.1

       從市場角度出發，作為上世紀九十年代最大的光刻機巨頭，尼康的衰落，始于那一回157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術之爭。

       背后起主導作用的，是由英特爾創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出的的一個叫做摩爾定律的產業規范：集成電路上可容納的元器件的數量每隔18至24個月就會增加一倍（相應的芯片制程也會不斷縮小）。而每一次制程前進，也會帶來一次芯片性能性能的飛躍。

       這是對芯片設計的要求，但同時也在要求光刻機的必須領先設計環節一步，交付出相應規格的設備來。

       幾十納米時代的光刻機，門檻其實并不高，三十多人的阿斯麥能輕易入局這個行業，連設計芯片的英特爾也可以自己做出幾臺嘗嘗鮮，難度左右不過是把買回來的高價零件拼拼湊湊，堆出一臺難度比起照相機高深些許的設備。

        尼康與他們不同的是，對手靠的是產業鏈一起發力，而尼康的零件技術全部自己搞定，就像如今的蘋果，芯片、操作系統大包大攬，隨便拿出幾塊鏡片，雖不見得能吊打蔡司，但應付但是的芯片制程卻是綽綽有余的。

       但造芯也好，造光刻機也好，關卡等級其實是指數級別增加的，上世紀90年代，光刻機的光源波長被卡死在193nm，成為了擺在全產業面前的一道難關。

       雕刻東西，花樣要精細，刀尖就得鋒利，但是要如何把193nm的光波再“磨”細呢？大半個半導體業界都參與進來，分兩隊人馬躍躍欲試：

       尼康等公司主張用在前代技術的基礎上，采用157nm的 F2激光，走穩健道路。

      新生的EUV LLC聯盟則押注更激進的極紫外技術，用僅有十幾納米的極紫外光，刻十納米以下的芯片制程。

       但技術都已經走到這地步，不管哪一種方法，做起來其實都不容易。

      這時候臺積電一個叫做林本堅的鬼才工程師出現了：

      降低光的波長，光源出發是根本方法，但高中學生都知道，水會降低光的波長——在透鏡和硅片之間加一層水，原有的193nm激光經過折射，不就直接越過了157nm的天塹，降低到132nm了嗎！

       林本聰拿著這項“沉浸式光刻”方案，跑遍美國、德國、日本等國，游說各家半導體巨頭，但都吃了閉門羹。甚至有某公司高層給臺積電COO蔣尚義捎了句狠話，讓林本堅“不要攪局”。

      畢竟這只是理想情況，在精密的機器中加水構建浸潤環境，既要考慮實際性能，又要操心污染。如果為了這一條短期替代方案，耽誤了光源研究，吃力不討好只是其次，被對手反超可就不好看了。

       于是，尼康選擇了在157nm上一條道走到黑，卻沒意識到背后有位虎視眈眈的攪局者。

       當時尚是小角色的阿斯麥決定賭一把，相比之前在傳統干式微影上的投入，押注浸潤式技術更有可能以小博大。于是和林本堅一拍即合，僅用一年時間，就在2004年就拼全力趕出了第一臺樣機，并先后奪下IBM和臺積電等大客戶的訂單。

     

       尼康晚了半步，很快也就亮出了干式微影157nm技術的成品，但畢竟被阿斯麥搶了頭陣，更何況波長還略落后于對手。等到一年后又完成了對浸潤式技術的追趕，客戶卻已經不承認“老情人”，畢竟光刻機又不是小朋友玩具，更替要錢，學習更要成本。

但這一切還只是個開始。

Part.2

       兩千年初踏錯了干刻濕刻的選擇之前，其實早于1997年，在美國政府一手干預下，尼康被EUV LLC排擠在外時，就已經注定了如今光刻機市場一家獨大的結局。

      前面提到，當年為了嘗試突破193nm，英特爾更傾向于激進的EUV方案，于是早在1997年，就攢起了一個叫EUV LLC的聯盟。

      聯盟中的名字個個如雷貫耳：除了英特爾和牽頭的美國能源部以外，還有摩托羅拉、AMD、IBM，以及能源部下屬三大國家實驗室：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室和勞倫斯伯克利實驗室。

       這些實驗室是美國科技發展的幕后英雄，之前的研究成果覆蓋物理、化學、制造業、半導體產業的各種前沿方向，有核武器、超級計算機、國家點火裝置，甚至還有二十多種新發現的化學元素。

       資金到位，技術入場，人才云集，但偏偏聯盟中的美國光刻機企業SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落，根本爛泥扶不上墻。于是，英特爾想拉來尼康和阿斯麥一起入伙。

       但問題在于，這兩家公司，一個來自日本，一個來自荷蘭，都不是本土企業。

       偏偏，美國政府又將EUV技術視為推動本國半導體產業發展的核心技術，并不太希望外國企業參與其中，更何況八十年代在半導體領域壓了美國風頭的日本。

       但EUV光刻機又幾乎逼近物理學、材料學以及精密制造的極限。光源功率要求極高，透鏡和反射鏡系統也極致精密，還需要真空環境，配套的抗蝕劑和防護膜的良品率也不高。別說是對小國日本與荷蘭，就算是美國，想要一己之力自主突破這項技術，也是癡人說夢。

        美國自然不會給日本投誠然后扼住美國半導體咽喉的機會。在一份提交給國會的報告之中，專家明確指出“尼康可能會將技術轉移回日本，從而徹底消滅美國光刻機產業”。

      日本是敵人，但荷蘭還是有改造成“美利堅好同志”的機會的。

       為了表現誠意，阿斯麥同意在美國建立一所工廠和一個研發中心，以此滿足所有美國本土的產能需求。另外，還保證55%的零部件均從美國供應商處采購，并接受定期審查。所以為什么美國能禁止荷蘭的光刻機出口中國，一切的原因都始于此時

        但不管怎么說，美國能源部還是和阿斯麥達成了協議，允許其加入EUV LLC，共同參與開發，共享研究成果。

       6年時間里，EUV LLC的研發人員發表了數百篇論文，大幅推進了EUV技術的研究進展，割地求和的阿斯麥雖然只是其中的小角色，但也有機會分得一杯羹。

      分享技術只是一方面，收購走后門其實也是美國送給阿斯麥的一份大禮。2009年，美國的Cymer公司研發出EUV所需的大功率光源，成為阿斯麥的供應商，更在四年后以25億美元高價直接被并購。別忘了，這可是光刻機的核心零件，這樣頂尖的技術，全球范圍也不超過三家。

       毫不夸張的說，阿斯麥雖然是一家荷蘭企業，但崛起的背后，其實是一場地地道道的美國式成功。

Part.3

     錯失EUV關上了尼康光刻機的大門，而盟友的背叛則徹底焊死了尼康想要突圍的出路。

     說實話，當年的英特爾為了防止核心設備供應商一家獨大，還是其實挺想帶著尼康一起玩的。

      32nm工藝制程時甚至獨家采用尼康的光刻機，而之前的45nm，之后的22nm，也都是尼康和阿斯麥同時供貨。就連在2010年的LithoVision大會上，英特爾還宣布將一直沿用193nm沉浸式光刻至11nm節點。

        但備胎終究是備胎，一轉身，英特爾就為了延續摩爾定律的節奏，巨資入股阿斯麥，順帶將EUV技術托付。

         另一邊，相比一步步集成了全球制造業精華的阿斯麥，早年間就習慣單打獨斗的尼康在遭遇美國封鎖后，更是一步步落后，先進設備技術跟不上且不提，就連落后設備的制造效率也遲遲提不上來。

      當年，相同制程，阿斯麥宣稱“每小時可加工175～200片晶圓”，而尼康的數據是“每小時200片”。

      但果真如此嗎？這背后涉及到了一個叫做稼動率的制造業名詞。簡單理解為一臺機器設備實際的生產數量與可能的生產數量的比值。

       使用阿斯麥的設備，三星與臺積電的稼動率常年維持在95%上下，一個詞語概括，靠譜！

       但反觀尼康，被迫自研，什么零件都能做，但又總是差點意思。導致同一批次的相同設備，每一臺的性能都不盡相同。就像買了二十臺蘋果手機，這臺只能發微信，那臺只能刷視頻，剩下18臺還正送檢維修。

     設備雖便宜，但稼動率最多只能達到50%左右，對晶元代工廠來說，實在不劃算。

      因此，英特爾新CEO上任后，立刻拋棄了尼康，甚至就連大陸的芯片代工廠都看不上尼康，生產出的設備，只能賣給三星、LG、京東方，用來生產面板。

        這邊舊人哭，那邊新人笑：2012年，英特爾連同三星和臺積電，三家企業共計投資52.29億歐元，先后入股阿斯麥，以此獲得優先供貨權，結成緊密的利益共同體。

        站在EUV LLC的肩膀上，背靠美國支持，又有客戶送錢，阿斯麥自此正式成為“全村的希望”，在摘取EUV光刻機這顆寶石的道路上，一路孤獨的狂奔。

       終于，在2015年，第一臺可量產的EUV樣機正式發布。正所謂機器一響，黃金萬兩，當年只要能搶先拿到機器開工，就相當于直接開動了印鈔產線，EUV光刻機也因此被冠上了“印錢許可證”的名號。

       而在這臺機器價值1.2億美元，重達180噸的巨無霸設備背后，實際上90%的部件均來自外部廠商，美國和歐洲的更是其中代表。

       整個西方最先進的工業體系，托舉起了如今的阿斯麥。而一代霸主尼康，也自此徹底零落在歷史的塵埃之中。