波瀾壯闊的光刻機(jī)歷史

發(fā)布時(shí)間 : 2021-3-31 10:05:56    點(diǎn)擊量 : 2074

      在芯片領(lǐng)域，有一樣叫光刻機(jī)的設(shè)備，不是印鈔機(jī)，但卻比印鈔機(jī)還金貴。

      歷數(shù)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(yè)之大成，一年時(shí)間造的出二十臺(tái)高端設(shè)備，臺(tái)積電與三星每年為此搶破了頭，中芯國(guó)際足足等了三年，也沒能將中國(guó)的首臺(tái)EUV光刻機(jī)迎娶進(jìn)門。

        但其實(shí)，早在上世紀(jì)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(shí)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(duì)手的映襯下，顯得弱小、可憐，又無助。

      不過說起來，作為半導(dǎo)體行業(yè)“皇冠上的明珠”，光刻機(jī)的本質(zhì)其實(shí)與投影儀+照相機(jī)差不多，以光為刀，將設(shè)計(jì)好的電路圖投射到硅片之上。在那個(gè)芯片制程還停留在幾十納米的時(shí)代，能做光刻機(jī)的企業(yè)，少說也有數(shù)十家，而尼康憑借著相機(jī)時(shí)代的積累，在那個(gè)日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全面崛起的年代，正是當(dāng)之無愧的巨頭。

      短短四年，就將昔日光刻機(jī)大國(guó)美國(guó)拉下馬，與舊王者GCA平起平坐，拿下三成市場(chǎng)份額。手里幾家大客戶英特爾、IBM、AMD、德州儀器，每天排隊(duì)堵在尼康門口等待最新產(chǎn)品下線的熱情，與我們?nèi)缃裱郯桶偷戎⑺果淓UV光刻機(jī)交貨的迫切并無二致。

       但誰也不曾想，二十年不到，風(fēng)光對(duì)調(diào)，作為美國(guó)忠實(shí)盟友的阿斯麥一躍翻身，執(zhí)掌起代工廠的生殺大權(quán)，更成為大國(guó)博弈之間的關(guān)鍵殺招。“如果我們交不出EUV，摩爾定律就會(huì)從此停止”，阿斯麥如是說。

      但這真的只是一個(gè)盛產(chǎn)風(fēng)車、郁金香國(guó)家，憑借一個(gè)三十多人的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)，所誕生的一個(gè)制造業(yè)奇跡，半導(dǎo)體明珠嗎？

       其實(shí)，從那臺(tái)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(fù)仇與合作。

Part.1

       從市場(chǎng)角度出發(fā)，作為上世紀(jì)九十年代最大的光刻機(jī)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(shù)之爭(zhēng)。

       背后起主導(dǎo)作用的，是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出的的一個(gè)叫做摩爾定律的產(chǎn)業(yè)規(guī)范：集成電路上可容納的元器件的數(shù)量每隔18至24個(gè)月就會(huì)增加一倍（相應(yīng)的芯片制程也會(huì)不斷縮?。?/span>而每一次制程前進(jìn)，也會(huì)帶來一次芯片性能性能的飛躍。

       這是對(duì)芯片設(shè)計(jì)的要求，但同時(shí)也在要求光刻機(jī)的必須領(lǐng)先設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)一步，交付出相應(yīng)規(guī)格的設(shè)備來。

       幾十納米時(shí)代的光刻機(jī)，門檻其實(shí)并不高，三十多人的阿斯麥能輕易入局這個(gè)行業(yè)，連設(shè)計(jì)芯片的英特爾也可以自己做出幾臺(tái)嘗嘗鮮，難度左右不過是把買回來的高價(jià)零件拼拼湊湊，堆出一臺(tái)難度比起照相機(jī)高深些許的設(shè)備。

        尼康與他們不同的是，對(duì)手靠的是產(chǎn)業(yè)鏈一起發(fā)力，而尼康的零件技術(shù)全部自己搞定，就像如今的蘋果，芯片、操作系統(tǒng)大包大攬，隨便拿出幾塊鏡片，雖不見得能吊打蔡司，但應(yīng)付但是的芯片制程卻是綽綽有余的。

       但造芯也好，造光刻機(jī)也好，關(guān)卡等級(jí)其實(shí)是指數(shù)級(jí)別增加的，上世紀(jì)90年代，光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)被卡死在193nm，成為了擺在全產(chǎn)業(yè)面前的一道難關(guān)。

       雕刻?hào)|西，花樣要精細(xì)，刀尖就得鋒利，但是要如何把193nm的光波再“磨”細(xì)呢？大半個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界都參與進(jìn)來，分兩隊(duì)人馬躍躍欲試：

       尼康等公司主張用在前代技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用157nm的 F2激光，走穩(wěn)健道路。

      新生的EUV LLC聯(lián)盟則押注更激進(jìn)的極紫外技術(shù)，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(shù)都已經(jīng)走到這地步，不管哪一種方法，做起來其實(shí)都不容易。

      這時(shí)候臺(tái)積電一個(gè)叫做林本堅(jiān)的鬼才工程師出現(xiàn)了：

      降低光的波長(zhǎng)，光源出發(fā)是根本方法，但高中學(xué)生都知道，水會(huì)降低光的波長(zhǎng)——在透鏡和硅片之間加一層水，原有的193nm激光經(jīng)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(xiàng)“沉浸式光刻”方案，跑遍美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)，游說各家半導(dǎo)體巨頭，但都吃了閉門羹。甚至有某公司高層給臺(tái)積電COO蔣尚義捎了句狠話，讓林本堅(jiān)“不要攪局”。

      畢竟這只是理想情況，在精密的機(jī)器中加水構(gòu)建浸潤(rùn)環(huán)境，既要考慮實(shí)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(duì)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(shí)到背后有位虎視眈眈的攪局者。

       當(dāng)時(shí)尚是小角色的阿斯麥決定賭一把，相比之前在傳統(tǒng)干式微影上的投入，押注浸潤(rùn)式技術(shù)更有可能以小博大。于是和林本堅(jiān)一拍即合，僅用一年時(shí)間，就在2004年就拼全力趕出了第一臺(tái)樣機(jī)，并先后奪下IBM和臺(tái)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(shù)的成品，但畢竟被阿斯麥搶了頭陣，更何況波長(zhǎng)還略落后于對(duì)手。等到一年后又完成了對(duì)浸潤(rùn)式技術(shù)的追趕，客戶卻已經(jīng)不承認(rèn)“老情人”，畢竟光刻機(jī)又不是小朋友玩具，更替要錢，學(xué)習(xí)更要成本。

但這一切還只是個(gè)開始。

Part.2

       兩千年初踏錯(cuò)了干刻濕刻的選擇之前，其實(shí)早于1997年，在美國(guó)政府一手干預(yù)下，尼康被EUV LLC排擠在外時(shí)，就已經(jīng)注定了如今光刻機(jī)市場(chǎng)一家獨(dú)大的結(jié)局。

      前面提到，當(dāng)年為了嘗試突破193nm，英特爾更傾向于激進(jìn)的EUV方案，于是早在1997年，就攢起了一個(gè)叫EUV LLC的聯(lián)盟。

      聯(lián)盟中的名字個(gè)個(gè)如雷貫耳：除了英特爾和牽頭的美國(guó)能源部以外，還有摩托羅拉、AMD、IBM，以及能源部下屬三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室。

       這些實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)科技發(fā)展的幕后英雄，之前的研究成果覆蓋物理、化學(xué)、制造業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的各種前沿方向，有核武器、超級(jí)計(jì)算機(jī)、國(guó)家點(diǎn)火裝置，甚至還有二十多種新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素。

       資金到位，技術(shù)入場(chǎng)，人才云集，但偏偏聯(lián)盟中的美國(guó)光刻機(jī)企業(yè)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(gè)來自日本，一個(gè)來自荷蘭，都不是本土企業(yè)。

       偏偏，美國(guó)政府又將EUV技術(shù)視為推動(dòng)本國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，并不太希望外國(guó)企業(yè)參與其中，更何況八十年代在半導(dǎo)體領(lǐng)域壓了美國(guó)風(fēng)頭的日本。

       但EUV光刻機(jī)又幾乎逼近物理學(xué)、材料學(xué)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(tǒng)也極致精密，還需要真空環(huán)境，配套的抗蝕劑和防護(hù)膜的良品率也不高。別說是對(duì)小國(guó)日本與荷蘭，就算是美國(guó)，想要一己之力自主突破這項(xiàng)技術(shù)，也是癡人說夢(mèng)。

        美國(guó)自然不會(huì)給日本投誠(chéng)然后扼住美國(guó)半導(dǎo)體咽喉的機(jī)會(huì)。在一份提交給國(guó)會(huì)的報(bào)告之中，專家明確指出“尼康可能會(huì)將技術(shù)轉(zhuǎn)移回日本，從而徹底消滅美國(guó)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)”。

      日本是敵人，但荷蘭還是有改造成“美利堅(jiān)好同志”的機(jī)會(huì)的。

       為了表現(xiàn)誠(chéng)意，阿斯麥同意在美國(guó)建立一所工廠和一個(gè)研發(fā)中心，以此滿足所有美國(guó)本土的產(chǎn)能需求。另外，還保證55%的零部件均從美國(guó)供應(yīng)商處采購(gòu)，并接受定期審查。所以為什么美國(guó)能禁止荷蘭的光刻機(jī)出口中國(guó)，一切的原因都始于此時(shí)

        但不管怎么說，美國(guó)能源部還是和阿斯麥達(dá)成了協(xié)議，允許其加入EUV LLC，共同參與開發(fā)，共享研究成果。

       6年時(shí)間里，EUV LLC的研發(fā)人員發(fā)表了數(shù)百篇論文，大幅推進(jìn)了EUV技術(shù)的研究進(jìn)展，割地求和的阿斯麥雖然只是其中的小角色，但也有機(jī)會(huì)分得一杯羹。

      分享技術(shù)只是一方面，收購(gòu)走后門其實(shí)也是美國(guó)送給阿斯麥的一份大禮。2009年，美國(guó)的Cymer公司研發(fā)出EUV所需的大功率光源，成為阿斯麥的供應(yīng)商，更在四年后以25億美元高價(jià)直接被并購(gòu)。別忘了，這可是光刻機(jī)的核心零件，這樣頂尖的技術(shù)，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(yè)，但崛起的背后，其實(shí)是一場(chǎng)地地道道的美國(guó)式成功。

Part.3

     錯(cuò)失EUV關(guān)上了尼康光刻機(jī)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(shí)話，當(dāng)年的英特爾為了防止核心設(shè)備供應(yīng)商一家獨(dú)大，還是其實(shí)挺想帶著尼康一起玩的。

      32nm工藝制程時(shí)甚至獨(dú)家采用尼康的光刻機(jī)，而之前的45nm，之后的22nm，也都是尼康和阿斯麥同時(shí)供貨。就連在2010年的LithoVision大會(huì)上，英特爾還宣布將一直沿用193nm沉浸式光刻至11nm節(jié)點(diǎn)。

        但備胎終究是備胎，一轉(zhuǎn)身，英特爾就為了延續(xù)摩爾定律的節(jié)奏，巨資入股阿斯麥，順帶將EUV技術(shù)托付。

         另一邊，相比一步步集成了全球制造業(yè)精華的阿斯麥，早年間就習(xí)慣單打獨(dú)斗的尼康在遭遇美國(guó)封鎖后，更是一步步落后，先進(jìn)設(shè)備技術(shù)跟不上且不提，就連落后設(shè)備的制造效率也遲遲提不上來。

      當(dāng)年，相同制程，阿斯麥宣稱“每小時(shí)可加工175～200片晶圓”，而尼康的數(shù)據(jù)是“每小時(shí)200片”。

      但果真如此嗎？這背后涉及到了一個(gè)叫做稼動(dòng)率的制造業(yè)名詞。簡(jiǎn)單理解為一臺(tái)機(jī)器設(shè)備實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)量與可能的生產(chǎn)數(shù)量的比值。

       使用阿斯麥的設(shè)備，三星與臺(tái)積電的稼動(dòng)率常年維持在95%上下，一個(gè)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(diǎn)意思。導(dǎo)致同一批次的相同設(shè)備，每一臺(tái)的性能都不盡相同。就像買了二十臺(tái)蘋果手機(jī)，這臺(tái)只能發(fā)微信，那臺(tái)只能刷視頻，剩下18臺(tái)還正送檢維修。

     設(shè)備雖便宜，但稼動(dòng)率最多只能達(dá)到50%左右，對(duì)晶元代工廠來說，實(shí)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(chǎn)出的設(shè)備，只能賣給三星、LG、京東方，用來生產(chǎn)面板。

        這邊舊人哭，那邊新人笑：2012年，英特爾連同三星和臺(tái)積電，三家企業(yè)共計(jì)投資52.29億歐元，先后入股阿斯麥，以此獲得優(yōu)先供貨權(quán)，結(jié)成緊密的利益共同體。

        站在EUV LLC的肩膀上，背靠美國(guó)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(jī)這顆寶石的道路上，一路孤獨(dú)的狂奔。

       終于，在2015年，第一臺(tái)可量產(chǎn)的EUV樣機(jī)正式發(fā)布。正所謂機(jī)器一響，黃金萬兩，當(dāng)年只要能搶先拿到機(jī)器開工，就相當(dāng)于直接開動(dòng)了印鈔產(chǎn)線，EUV光刻機(jī)也因此被冠上了“印錢許可證”的名號(hào)。

       而在這臺(tái)機(jī)器價(jià)值1.2億美元，重達(dá)180噸的巨無霸設(shè)備背后，實(shí)際上90%的部件均來自外部廠商，美國(guó)和歐洲的更是其中代表。

       整個(gè)西方最先進(jìn)的工業(yè)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。