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光刻机大败局   [复制链接]

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1#
发表于 2020-6-2 18:02:08 |只看该作者 |倒序浏览
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微米的时代,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,水会影响光的折射率——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!

林本坚拿着这项“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”。[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,只能退出IC光刻,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。

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  下士

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2020-6-2
2#
发表于 2020-6-2 18:43:20 |只看该作者
以前生产鞋子袜子,现在竟然要求中国生产光刻机了, 我们可是发展中国家。

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  中校

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2016-4-1
3#
发表于 2020-6-2 18:48:16 |只看该作者
中国有能力把他变成过剩产能

点评

勇敢过头  别逗了,日本都玩不转咱们更不行  详情 回复 发表于 2020-6-10 08:45
hy1234  中国对工程师的待遇要提高。中国工程师都是996,他们为了国家出卖了青春,所以给更高的待遇是必须的。 美国的工程师的待遇是很高的,所以才可以吸引大部分的人才,待遇不差过律师,医生,金融佬。  详情 回复 发表于 2020-6-3 14:18

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  新兵

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2020-6-1
4#
发表于 2020-6-2 19:30:44 |只看该作者
需要漫长技术积累的过程

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  大校

注册时间:
2007-12-9
5#
发表于 2020-6-2 19:45:16 |只看该作者
大家真的闲到能阅读完这么长的一个故事么?

点评

考拉不是骆驼  爱看不看  详情 回复 发表于 2020-6-2 20:14

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  中校

注册时间:
2018-9-7
6#
发表于 2020-6-2 20:14:22 |只看该作者
mryuri 发表于 2020-6-2 19:45
大家真的闲到能阅读完这么长的一个故事么?

爱看不看

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  一级军士长

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2008-7-22
7#
发表于 2020-6-2 20:19:36 |只看该作者
只要威胁到美国的科技霸权,就会遭到其打压。这与意识形态无关!

点评

TTU  这才是最深的意识形态  详情 回复 发表于 2020-6-3 15:55

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  三级电信军士

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2018-2-24
8#
发表于 2020-6-2 20:40:28 |只看该作者
我真的很闲,竟然看完了,多谢!

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  上校

注册时间:
2017-10-18
9#
发表于 2020-6-2 20:47:05 |只看该作者
圆珠笔芯,了解下

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  上校

注册时间:
2018-8-29
10#
发表于 2020-6-2 20:59:50 |只看该作者
master123 发表于 2020-6-2 20:19
只要威胁到美国的科技霸权,就会遭到其打压。这与意识形态无关!

美国是要科技和金融霸权,这两个影响很多科技(jun事)金融(全世界都是美国韭菜)

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  上校

注册时间:
2014-10-15
11#
发表于 2020-6-2 21:52:25 |只看该作者
好事,不然有些人觉得钱好赚

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  一级军士长

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2003-6-14
12#
发表于 2020-6-2 22:21:38 |只看该作者
好文,。追赶的道路会很艰辛,但不无可能。边买边学习边干吧,如果可以买的话。中国不缺优秀的设计,缺的是基础材料和工艺,但这些都是人做出来的,有尝试和努力就有做出来的可能。

点评

马云的云  一切科技都源于投入,投入到位了自然就有了。不想投入还指望做出来那是天方夜谭。 HW之所以能成为中国科技的代表公司也是源于几十年来每年巨大的研发投入,说明只要投入到了,别说一个华为,就是十个华为也能诞生  详情 回复 发表于 2020-6-9 13:47
弯月1023  嗯,支持  详情 回复 发表于 2020-6-3 17:20
chenshengqu  支持正能量,总不能差距大就啥也不做了  详情 回复 发表于 2020-6-3 09:04
考拉不是骆驼  赞  详情 回复 发表于 2020-6-2 22:43

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  中校

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2018-9-7
13#
发表于 2020-6-2 22:43:05 |只看该作者
Metro 发表于 2020-6-2 22:21
好文,。追赶的道路会很艰辛,但不无可能。边买边学习边干吧,如果可以买的话。中国不缺优秀的设计,缺的是 ...

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  大将

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2007-12-10
14#
发表于 2020-6-3 00:06:58 |只看该作者
兔子一个发展中国家,各行业都要对标欧美顶级厂商。。。。

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  少将

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2014-2-9
15#
发表于 2020-6-3 07:27:49 |只看该作者
一家单打独斗确实是太难,毕竟北美和西欧是全人类现代文明起源的地方,然后多家合作可以最大限度的扬长避短,减小成本。就看华为比尼康要厉害多少了。

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  新兵

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2019-1-24
16#
发表于 2020-6-3 07:37:32 |只看该作者
能写出这样的故事LZ肯定是大腕啊

点评

yuanjin1122  我也觉得。  详情 回复 发表于 2020-6-9 14:29

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  少将

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2014-7-24
17#
发表于 2020-6-3 08:42:45 |只看该作者
随便看了一眼,我们还是要有些追求的

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  中将

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2011-5-20
18#
发表于 2020-6-3 09:04:59 |只看该作者
Metro 发表于 2020-6-2 22:21
好文,。追赶的道路会很艰辛,但不无可能。边买边学习边干吧,如果可以买的话。中国不缺优秀的设计,缺的是 ...

支持正能量,总不能差距大就啥也不做了

军衔等级:

  三级电信军士

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2017-10-20
19#
发表于 2020-6-3 09:58:56 |只看该作者
阿斯麦(ASML)只是生产组装,光刻机包含了很多美国及其他尖端技术。国产光刻机只能生产90纳米的芯片,说吧了,现在这时代,90纳米根本不能投产使用。

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2019-7-17
20#
发表于 2020-6-3 10:31:58 |只看该作者
感谢科普

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