光刻機大敗局！
作者：劉芮、鄧宇
在芯片領(lǐng)域，有一樣叫光刻機的設(shè)備，不是印鈔機，但卻比印鈔機還金貴。
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，一年時間造的出二十臺高端設(shè)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(jìn)門。
但其實，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(dǎo)體行業(yè)“皇冠上的明珠”，光刻機的本質(zhì)其實與投影儀+照相機差不多，以光為刀，將設(shè)計好的電路圖投射到硅片之上。在那個芯片制程還停留在微米的時代，能做光刻機的企業(yè)，少說也有數(shù)十家，而尼康憑借著相機時代的積累，在那個日本半導(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(chǎn)品下線的熱情，與我們?nèi)缃裱郯桶偷戎⑺果淓UV光刻機交貨的迫切并無二致。
但誰也不曾想，二十年不到，風(fēng)光對調(diào)，作為美國忠實盟友的阿斯麥一躍翻身，執(zhí)掌起代工廠的生殺大權(quán)，更成為大國博弈之間的關(guān)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(chǎn)風(fēng)車、郁金香國家，憑借一個三十多人的創(chuàng)始團隊，所誕生的一個制造業(yè)奇跡，半導(dǎo)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(fù)仇與合作。
01
從市場角度出發(fā)，作為上世紀(jì)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(shù)之爭。
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個月就會增加一倍（相應(yīng)的芯片制程也會不斷縮小）。而每一次制程前進(jìn)，也會帶來一次芯片性能性能的飛躍。
這是對芯片設(shè)計的要求，但同時也在要求光刻機的必須領(lǐng)先設(shè)計環(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(yè)，連設(shè)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(shè)備。
尼康與他們不同的是，對手靠的是產(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)付當(dāng)時的芯片制程卻是綽綽有余的。
但造芯也好，造光刻機也好，關(guān)卡等級其實是指數(shù)級別增加的，上世紀(jì)90年代，光刻機的光源波長被卡死在193nm，成為了擺在全產(chǎn)業(yè)面前的一道難關(guān)。
雕刻東西，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？大半個半導(dǎo)體業(yè)界都參與進(jìn)來，分兩隊人馬躍躍欲試：
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(xiàn)了：
降低光的波長，光源出發(fā)是根本方法，但高中學(xué)生都知道，水會影響光的折射率——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！
林本堅拿著這項“沉浸式光刻”方案，跑遍美國、德國、日本等國，游說各家半導(dǎo)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”。[1]
畢竟這只是理想情況，在精密的機器中加水構(gòu)建浸潤環(huán)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(dāng)時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，押注浸潤式技術(shù)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(shù)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(shù)的追趕，客戶卻已經(jīng)不承認(rèn)“老情人”，畢竟光刻機又不是小朋友玩具，更替要錢，學(xué)習(xí)更要成本。
但這一切還只是個開始。
02
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(yù)下，尼康被EUV LLC排擠在外時，就已經(jīng)注定了如今光刻機市場一家獨大的結(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，就攢起了一個叫EUV LLC的聯(lián)盟。
聯(lián)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(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、超級計算機、國家點火裝置，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，人才云集，但偏偏聯(lián)盟中的美國光刻機企業(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，一個來自日本，一個來自荷蘭，都不是本土企業(yè)。
偏偏，美國政府又將EUV技術(shù)視為推動本國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，并不太希望外國企業(yè)參與其中，更何況八十年代在半導(dǎo)體領(lǐng)域壓了美國風(fēng)頭的日本。
但EUV光刻機又幾乎逼近物理學(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(shù)，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(dǎo)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(shù)轉(zhuǎn)移回日本，從而徹底消滅美國光刻機產(chǎn)業(yè)”。[2]
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(xiàn)誠意，阿斯麥同意在美國建立一所工廠和一個研發(fā)中心，以此滿足所有美國本土的產(chǎn)能需求。另外，還保證55%的零部件均從美國供應(yīng)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[3]
但不管怎么說，美國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，但也有機會分得一杯羹。
分享技術(shù)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(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(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，其實是一場地地道道的美國式成功。
03
錯失EUV關(guān)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(dāng)年的英特爾為了防止核心設(shè)備供應(yīng)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(jié)點。
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)慣單打獨斗的尼康在遭遇美國封鎖后，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“每小時可加工175～200片晶圓”，而尼康的數(shù)據(jù)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(yè)名詞。簡單理解為一臺機器設(shè)備實際的生產(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(dǎo)致同一批次的相同設(shè)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(fā)微信，那臺只能刷視頻，剩下18臺還正送檢維修。
設(shè)備雖便宜，但稼動率最多只能達(dá)到50%左右，對晶元代工廠來說，實在不劃算。[7]
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，只能退出IC光刻，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積電，三家企業(yè)共計投資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(chǎn)的EUV樣機正式發(fā)布。正所謂機器一響，黃金萬兩，當(dāng)年只要能搶先拿到機器開工，就相當(dāng)于直接開動了印鈔產(chǎn)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(dá)180噸的巨無霸設(shè)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(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。
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