1月6日,路透社在報道中援引三名匿名知情人士稱,特朗普政府為“攪黃”ASML公司向中國公司出口極紫外光刻機(EUV)設備,從2018年起就開始對荷蘭政府廣泛施壓。ndc曹操讀書網
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2019年6月,國務卿蓬佩奧就在訪問荷蘭期間要求盟友站隊。知情人士向路透社透露:蓬佩奧當時要求荷蘭首相馬克·呂特阻止這筆交易,美國官員至少在四次會議中向荷蘭官員施壓。ndc曹操讀書網
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7月呂特訪問華盛頓時,美國副國家安全顧問庫伯曼又給他一份情報報告,大談“中國獲得光刻機的可能后果”。隨后,荷蘭政府選擇不續簽ASML的出口許可。ndc曹操讀書網
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11月6日,《日本經濟評論》最先報道了相關交易因許可證問題被推遲發貨的消息,并認為ASML成為美國政府壓力下的“犧牲品”。ndc曹操讀書網
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公司發言人摩爾斯回應,“延遲發貨”僅為媒體猜測,已經申請了新的許可證,仍在等待獲批。“公司遵守的法律。法律說你需要許可證才能出口EUV,我們已經申請了許可證。”ndc曹操讀書網
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ASML公司員工正組裝一臺半導體光刻機 圖自:路透社ndc曹操讀書網
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ASML是世界上最重要的半導體供應商。光刻機則是半導體生產制造環節最重要的核心部件,其關鍵技術一直被ASML公司壟斷。EUV光刻機則是該公司最先進的設備。為了不讓荷蘭賣光刻機給中國,這屆美國政府可謂操碎了心。ndc曹操讀書網
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但不論有沒有EUV光刻機,ASML預計2020年向中國出售其他產品,銷售額會繼續增長。路透社評論,此事顯示白宮對于阻止中國獲得先進芯片制造能力有多么重視,也證明美國政府試圖單方面限制對中國出口先進技術時,面臨著多么大的挑戰。ndc曹操讀書網
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文| 陳興華
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本文轉載自微信公眾號“科工力量”(ID:guanchacaijing),原文首發于2019年9月6日,標題為《光刻機之戰》。ndc曹操讀書網
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不起眼的“小人物”也能崛起為“大人物”,這樣的通俗道理同樣發生在一家荷蘭光刻機公司——ASML(阿斯麥)身上。上世紀八十年代初,飛利浦在實驗室里研發出stepper(自動化步進式光刻機)原型,而當時,由于這款原型機不夠成熟,以及光刻機市場太小,飛利浦去美國和P&E、GCA、Cobilt、IBM等公司談了一圈也沒人愿意合作。后來,荷蘭本土ASM International公司聞訊主動要求與飛利浦合作,不過后者認為ASM只有半導體前后道的經驗,而且“體量太小”玩不了光刻機。但在ASM老板Arthur Del Prado苦苦追求下,雙方談判一年多后,決定各出資210萬美元成立占股50:50的合資公司ASML。然而,1984年4月1日ASML成立時,飛利浦狡猾地把十六臺還沒做好的庫存PAS2000光刻機折價180萬美元算出資,也沒有再撥付經費,甚至不提供辦公室。31個ASML初期員工就在飛利浦大廈外的簡易木棚房辦公。ASML最早成立時的簡易平房,后面的玻璃大廈是飛利浦另一方面,同樣在八十年代初,為了不被強勁發展的美日甩開距離,歐洲共同體在高科技領域推出政府資助主導的“尤里卡計劃”。在這個計劃框架內,關于集成電路的子計劃叫做JESSI,而JESSI里面最重要的一個項目叫做MEGA。飛利浦和德國的西門子是MEGA項目的核心主導。兩大巨頭計劃五年內各出資約15億馬克,其中兩國政府資助約5億馬克,目標是在八十年代末趕上日本人。不過,考慮到內存業投資巨大和風險巨大,兩個公司進行了分工:飛利浦負責SRAM,西門子負責DRAM。也是在1984年,MEGA項目正式啟動。西門子采取直接引進日本的技術,包括東芝DRAM技術、佳能光刻機等,并于1987年順利量產了1Mb DRAM,且業務蒸蒸日上。然而,由于SRAM的市場需求不旺,以及英特爾把它集成到CPU里(cache緩存)。這導致飛利浦的年產能足夠當時全球用三到四年,其SRAM項目最終失敗。此后,虧了血本的飛利浦開始將戰略眼光轉向東亞,于1987年與臺灣的工研院成立合資公司——臺積電,占股為27.5%。飛利浦孤注一擲,毫無保留地把MEGA生產線開放給臺積電學習,然后再原封不動地把整條生產線搬到臺灣給臺積電。事實證明,飛利浦之后從這項合作中獲益頗豐。不過,值得注意的是,在1988年底臺積電生產線快裝好的時候,發生了一場意外的火災。臺積電把所有被煙熏過的光刻機退回ASML,并重新下了17臺新機的訂單。ASML剛好資金非常緊缺,這些訂單在關鍵時刻救了急。結果為火災買單的保險公司,成了當時ASML最大的客戶。實際上,八十年代末正值半導體市場大滑坡,導致一眾美國光刻機廠商都碰到嚴重的財務問題,紛紛破產或倒下。但也許時勢造英雄,某種程度上,飛利浦在MEGA項目上的失敗催生了臺積電,而臺積電的一場大火扭轉了ASML的命運。經過如此因緣巧合、互相扶持,ASML和臺積電從兩個當時默默無聞的小公司崛起成如今的半導體行業絕代雙驕。他們的運數夾帶著歷史的偶然和圖騰下的必然,而歷史遺棄了飛利浦和美國公司的“傲慢與偏見”。ndc曹操讀書網
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二戰結束后不久。1947年,美國貝爾實驗室發明第一支點接觸晶體管。八年后,貝爾實驗室再使用800支晶體管組裝了世界上第一臺晶體管計算機TRADIC。自此,光刻技術開始萌生發展。早期的晶體管計算機,主要應用在軍事領域。到了六十年代初,仙童半導體發明了至今仍在使用的掩模板曝光刻蝕技術,并且建立了世界上第一臺2英寸集成電路產線。這使得計算機具備體積更小、適用,性能更優秀的可能,在這之前,諸如IBM的701和650系列計算機均是使用電子管的龐然大物。使用晶體管的計算機有所改善,但也不甚理想。IBM選擇了仙童半導體的光刻工藝和產線,并為IBM360計算機投入總計50億美元,這一金額是美國研制第一顆原子彈曼哈頓工程的2.5倍。1964年4月7日,IBM360的六個型號推出約一年半后,于1966年底IBM公司年收入超過了40億,純利潤高達10億美元,躍升美國十大公司行列。五年內IBM360共售出了32300臺,創造了當時電腦銷售奇跡。IBM360被譽為“改變人類生活”的偉大發明,它的巨大成功反過來推動了美國、日本等廠商的光刻技術和集成電路產業發展。當時,冷戰正進行到關鍵時候,美國對半導體和集成電路的需求越來越大,美國國內供應短缺。日本利用這個機會迅速接過該產業。而此前日本半導體應用主要在收音機領域,美國根本不予重視。六十年代末,意在電子產業圖騰的日本尼康和佳能開始進入光刻領域。不過,那時的掩模板是1:1尺寸緊貼在晶圓片上,而晶圓也多只有1英寸大小。光刻還算不上高科技,半導體公司通常自己設計工裝和工具,只有GCA、K&S和Kasper等少數公司做過一些相關設備。比如GCA公司開發的光學圖形發生器和分布重復精縮機。七十年代初,光刻機技術更多集中在如何保證十個甚至更多個掩模板精準地套刻在一起。之后,美國公司開始競賽。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對齊機臺,并借此取得了領先,Cobilt公司則開發出了自動生產線。但接觸式機臺后來很快被接近式機臺所淘汰,因為掩模和光刻膠多次碰到一起太容易污染。此外,當時拿到美國軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統,搭配正性光刻膠極為好用而且良率頗高,因此迅速占領了市場。1978年,GCA公司推出真正現代意義的自動化步進式光刻機(Stepper),通俗一點說是機器曝光完一塊挪個位置再刻下一塊,實現“自動化”,其分辨率比投影式高5倍,達到1微米。不過,由于剛開始Stepper生產效率相對不高,Perkin Elmer在后面很長一段時間仍處于主導地位。80年代一開始,GCA的Stepper還稍微領先,但很快尼康發售了自己首臺商用Stepper NSR-1010G,擁有更先進的光學系統,而且極大提高了產能。八十年代,盡管美國光刻機廠商“群雄爭霸”,但光刻機市場仍仍未成熟,還只是一個小市場,一年賣幾十臺的公司就算大廠。同時因為半導體廠商相對固定,一臺機器能用很多年。這導致哪家的機器落后一點,就沒人愿意買。技術領先成為奪取市場的關鍵,贏家通吃。GCA和尼康一起擠壓了其它廠商的份額,尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市場份額從80年超過三成快速跌到84年不到5%。但是,由于GCA的鏡片組來自德國蔡司,不像尼康自己擁有鏡頭技術,合作方面的磨合問題使得GCA產品更新方面一直落后了半拍。1982年,尼康在硅谷設立尼康精機,開始從GCA手里奪下一個接一個大客戶:IBM、Intel、TI、AMD等。在日本國內,半導體產業大發展,東京電子、 NEC、東芝等廠商的采購也推動了尼康的發展。兩年后,尼康已經和GCA平起平坐,各享三成市占率。Ultratech占約一成,Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家每家都不到5%。光刻機的發展經歷了2000年前的接觸式光刻機、接近式光刻機,投影式光刻機,步進式光刻機,步進式掃描光刻機,到2000后的浸入式光刻機和EUV光刻機糟糕的是,1986年前后半導體市場大滑坡,此前在世界范圍內強勢崛起的日本NEC、東芝和日立等開始收縮,三星則在政府資助下利用“反周期規律”收割市場,這導致美國絕大多數光刻機廠商都碰到嚴重的財務問題。同期,GCA和P&E的新產品開發都停滯了下來。但美國人顯然不會就此罷休,于1986年和1991年兩度逼迫日本簽訂有利美國的《半導體協定》。利用“政治手腕”的美國半導體并沒有迅速改善,而在光刻機廠商中,1988年GCA資金嚴重匱乏被General Signal收購,又過了幾年GCA找不到買主被關閉。General Signal旗下另外一家Ultratech最終被MBO收購,但是規模也不大。1990年,P&E光刻部也支撐不下去被賣給SVG。美國的光刻機時代宣告結束。不過,當時日本的半導體產業由于內部問題、行業蕭條和美國、韓國的外部沖擊,開始走向了衰敗,但日本的光刻機仍然占據優勢。1980年還占據大半壁江山的美國三雄,到八十年代末地位完全被日本“微影雙雄”取代。ndc曹操讀書網
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九十年代的光刻機市場,實際是尼康、佳能與新晉的ASML的競爭。雖然ASML的光刻機初期銷量慘淡,第一年只售出一臺,但最終還是獲得飛利浦的支持。此時,尼康和佳能仍在“收拾”美國市場。而ASML著重開發新興市場,先后于香港設立地區總部,于韓國設立辦事處,并且活躍在中國內地、俄羅斯等地。
推出兩代光刻機后,1994年ASML的市場份額只有18%,但設計超前的8英寸PAS5500成為扭轉時局的重要產品,另外1995年的IPO也給ASML插上了翅膀。率先采用PAS5500的臺積電、三星和現代(后來的Hynix)很快決定幾乎全部光刻改用ASML。由于ASML對半導體新興市場的主動出擊,公司獲得了極大的發展。1999年公司營收首次突破10億歐元,達到12億歐元;而2000年時營收更是翻了兩倍以上,達到27億歐元。此后,ASML在全球市場和光刻技術不斷攻城略地。在技術方面,半導體領域的原生驅動力是摩爾定律。這個預言中間改過一次,美國戈登·摩爾博士1965年最早的預言是集成電路密度每年翻倍,而1975年他自己改成每兩年翻倍。但誰也沒想到,光刻光源被卡在193nm無法進步長達20年。為了實現摩爾定律,光刻技術就需要每兩年把曝光關鍵尺寸(CD)降低30%-50%。根據瑞利公式:CD=k1*(λ/NA),光刻機廠商能做的就是降低波長λ,提高鏡頭的數值孔徑NA,降低綜合因素k1。而當時降低波長λ成為最直接有效的方法。九十年代末,科學家和產業界提出了各種超越193nm的方案,其中包括157nm F2激光,電子束投射(EPL),離子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光,并形成了以下幾大陣營:157nm F2,13.5nm EUV LLC,1nm 接近式X光,0.004nm EBDW或EPL,還有0.00005nm IPL。不過,以上所有方案和陣營都以失敗告終,它們敗給一個工程上的簡單解決辦法:在晶圓光刻膠上方加1mm厚的水,水可以把193nm的光波長折射成134nm。自此,浸入式光刻成功翻越157nm大關。加上后來不斷改進的高NA鏡頭、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術,浸入式光刻機一直做到如今的7nm。2002年,臺積電的林本堅博士在一次研討會上正式提出了浸入式193nm的方案,這基本上宣判了半導體界正在開發的各種光刻技術方案的死刑,而ASML抓住機會,在一年的時間內就開發出了樣機并在之后推出浸入式產品XT:1700i,該光刻機比之前最先進的干法光刻機分辨率提高了30%,可以用于45nm量產。世界各大半導體廠商廣為采納,而XT:1700i也成為ASML對尼康、佳能的致命一擊。在ASML推出浸入式光刻機XT:1700i的前后腳,尼康也宣布自己突破完成了157nm產品以及EPL產品樣機。然而,浸入式方案屬于小改進大效果,ASML產品成熟度高,所以很少有廠商去訂尼康的新品。隨后,尼康被迫也宣布去做浸入式光刻機,但為時已晚。一方面,光刻機就像印鈔機,材料成本可以忽略不計,而時間就像鉆石一樣珍貴。新產品需要至少1-3年時間由前后道多家廠商通力磨合,哪一家廠商盡早量產就有更多時間去改善問題和提高良率。另一方面,ASML和臺積電的合作也更為緊密,ASML自然深度獲得臺積電的浸入式方案技術。反過來,選擇ASM產品的臺積電、三星、海力士也在之后崛起成為世界三大半導體豪強。佳能當年的數碼相機稱霸世界、利潤可觀,對一年銷量只有百來臺的光刻機重視不夠。直到現在佳能還在賣350nm和248nm的產品,給液晶面板以及模擬器件廠商供貨。尼康在ASML的阻擊下遭遇了大潰敗,其在2000年前后還是全球光刻機老大,但之后一直呈現下滑態勢,直至ASML如今統領光刻機近八成市場份額。實際上,2000年后,由于缺乏新一代157nm激光需要配置的反折射鏡頭技術,這也是讓ASML焦慮的地方。而美國SVG擁有最成熟的157nm光學技術。另外,在美國能源部和幾大芯片巨頭合建的EUV光刻聯盟里,ASML還只是個小配角。在技術升級戰略的重要關頭,ASML決定報價16億美元收購市值只有10億的SVG。不過,這次收購同樣遭到美國政府和商會的阻撓,美國外國投資委員會在收購協議上加了一堆條件,其中包括不許收購SVG負責打磨鏡片的子公司Tinsley,以及保證各種技術和人才留在美國等。另外,美國華爾街資本還大舉買入ASML股份實現對該公司控股。如今,ASML的三大股東資本國際集團、貝萊德和英特爾均來自美國。上述條件讓ASML“順理成章”地成為了半個美國公司。而與此同時,ASML也享受到美國強勁基礎科學帶來的好處,為多年后在EUV一支獨秀做了有力鋪墊。2015年,EUV光刻機可量產的樣機發布。雖然售價高達1.2億美元一臺,但還是收到各半導體廠商諸多訂單,排隊等交貨。
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售價1億美元以上的EUV光刻機,該機重達180噸,超過10萬個零件,需要40個集裝箱運輸,安裝調試需要超過一年時間。
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我國光刻機設備的研制起步也不晚。從上世紀七十年代開始,先后有清華大學精密儀器系、中科學院光電技術研究所、中電科45所投入研制。其中,清華大學精密儀器系研制開發了分步重復自動照相機、圖形發生器、光刻機、電子束曝光機工件臺等半導體設備。另外,中科學院光電技術研究所在1980年研制出首臺光刻機,中電科45所1985年研制我國同類型第一臺 g線1.5um分步投影光刻機等等。不過,八十年代底,中國一大批企業紛紛以“貿工技”為指導思想。產業拋卻獨立自主、自力更生的指導方針,盲目對外開放。由于沒有了頂層設計,中國的集成電路在科研,教育以及產業方面出現了脫節:研發方面單打獨斗,科研成果轉化成產品微乎其微。2000年之后,中國半導體產業幡然醒來。進入了海歸創業和民企崛起的時代。中星微的鄧中翰于1999年回國,中芯的張汝京于2000年回國,展訊的武平和陳大同于2001年回國,芯原的戴偉民于2002年回國,兆易的朱一明于2004年回國。他們帶著豐富的經驗和珍貴,涌入了中國半導體產業的大潮。中國半導體廠商的發展,使得他們需要采購更多光刻機設備,而這推動了國內光刻機發展。目前國內從事集成電路前道制造用光刻機的生產廠商只有上海微電子和中國電科旗下的電科裝備等。不過,盡管中國在后道光刻機在市場上有不俗表現,但在ASML、尼康、佳能統治的前道光刻市場上則幾乎空白。國內的長江存儲、中芯等也選擇了ASML的前道光刻機。要真正實現不被“卡脖子”,這一領域還有待奮發突破。附錄:光刻工藝的過程
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第一步:鋪膠ndc曹操讀書網
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涉及流體力學、表面物理和化學
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第二步:量測與曝光
量測ndc曹操讀書網
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涉及 光學、數學ndc曹操讀書網
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涉及 光學、數學、高分子物理與化學、表面物理與化學ndc曹操讀書網
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