波澜壮阔的光刻机历史

发布时间 : 2021-3-31 10:05:56    点击量 : 1434

      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，一年时间造的出二十台高端设备，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的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，但应付但是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：

       尼康等公司主张用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”。

      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年就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。别说是对小国日本与荷兰，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”。

      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

        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。

      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，一路孤独的狂奔。

       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。