500美元起家,光刻机霸主,凭什么是一家荷兰小公司?

【文/科工力量 陈辰  柳叶刀】

大家好,我是观察者网《科工力量》栏目主播,冬晓。10月14日,ASML公司发布财报,2020年第三季度,光刻机净销售额31亿欧元,其中,中国大陆市场的营收占到26%,超过6亿欧元。而这么亮眼的业绩,很大一部分都是EUV光刻机贡献的。

发布财报后,该公司的CFO接受了媒体采访。当被问及美国半导体禁令对ASML业务有什么影响时,这高管表示:我们可以直接向中国出口深紫外光刻机DUV,不需要任何出口许可。

与EUV光刻机不同,DUV是193nm波长的光刻机,一次曝光可以生产45~28nm的芯片,价格比EUV便宜一半。这种光刻机虽然不是最先进的,但是在多重曝光的情况下,也能做到10nm的制程。但是要达到10nm以下,还是得使用EUV。2018年4月,中芯国际曾向ASML订购了一台EUV光刻机,但是在美国政府的围堵下,荷兰政府已经暂缓了这台设备的出口许可,直到现在都没有批准。

对于ASML公司高管的最新发言,国内给出了不同的解读。有人说,这是国产DUV光刻机突破了。也有人说这是变相的打压中国半导体。这些发声的本意固然是好的,但是多少也有些误解。ASML之所以在中国有这么大的销售额,是因为它虽然不卖最先进的光刻机给我们,但是DUV这样中端的产品,一直给长江存储、上海华虹、中芯国际等厂商供货。企业都是以盈利为目的,ASML公司本身也想推动高端光刻机交易,但在美国政府的制裁措施变本加厉的情况下,科技霸主也得屈服于政治霸权。

很多人好奇,一家欧洲小国诞生的公司,究竟经历了什么成为行业先锋?又做了什么,被美国政府把控?

追溯ASML的历史,就不得不提到一位传奇人物,德尔·普拉多。他1931年出生在荷兰殖民地,印尼雅加达,父母都是荷兰公民。因为父亲有犹太血统,日本侵略占领南亚后,他们一家被关到了当地集中营。战争结束后,普拉多回到荷兰学习化学和经济学,之后前往美国哈佛商学院继续学习。在此期间,他被美国硅谷创造的芯片深深吸引,1958年,从哈佛毕业,带着一片晶圆和500美金回到国内,创建了先进半导体材料公司(ASM)。

普拉多准备在半导体领域大干一场。最开始,从分销商做起,积累原始资本,后来转型设备制造商,营收开始爆发式增长。到了1978年,年收入已经达到1400万美元。普拉多准确的预判到芯片产业的广阔前景,梦想打造欧洲的硅谷,想和当时的飞利浦这样的半导体大厂合作。但是在这些大企业怎么会去理会一家小公司。普拉多曾抱怨说:他在美国可以很容易约到IBM或HP谈合作,但在家乡很难约到本土巨头。直到1983年,ASM在纳斯达克上市两年后,飞利浦一位高管读报时,发现普拉多还是有些资本的。于是,双方决定成立一家合资企业,飞利浦和一家私募各占股30%,ASM占股40%。

可是这项合作谈了近一年,飞利浦仍不看好合资公司,在出资注册的时候,本来是各出210万美元,结果飞利浦将没有做好的光刻机,折现180万美元,算作出资。普拉多可能不知道,这些光刻机性能非常差,客户都不愿意买。最终,新公司在1984年愚人节的那天成立,取名为ASML。

新公司刚建立,普拉多疯狂招人,软件、电子、机械、光学、测量,各个领域的工程师,他都要。然而,理想很丰满,现实很骨感。初出茅庐的ASML,既缺顾客,又缺钱,甚至连写字楼都租不起,员工只能在飞利浦大厦外的木板房里工作。

而此时的日本半导体产业已经全面崛起,超越美国。全球前10大半导体公司,日本占了6家,而且前三名都是日本企业。当时,日立、东芝、富士通的产品,成为“高质量”的代名词,良品率远高于英特尔、德州仪器。而佳能、尼康研制的光刻机,占据近一半的市场份额,IBM、AMD几乎是堵在它们生产线门口,等着产品下线抢购,就跟我们今天急切等待EUV光刻机交货一样。日本的半导体产品疯狂涌入美国,美国公司的市场份额直线下降,英特尔甚至准备放弃抵抗,宣布破产。

与尼康、佳能两大光刻机巨头相比,ASML显然处于劣势。前两者在国内有日立、住友、东京电子等一系列配套厂商支持,而后者,既没钱,又缺光学器件。从理论上来说,光刻机的原理其实很简单,把光透过带电路图的掩膜,投影到涂有光敏胶的晶圆上,进行刻蚀。早期,硅片上集成的晶体管少,光刻不需要多高的科技。可后来,集成的晶体管越来越多,一平方毫米里面有一亿根,显然需要更精密的光刻设备。

为了提升光刻技术,ASML与德国蔡司达成合作协议,改进光学系统,推出能与日本公司相媲美的光刻机PAS2500,而且还卖到了美国。不过,卖产品的收入,还是难以支撑高额的研发费用,ASML很快又发不出工资了。幸好在这样的紧急时刻,大股东飞利浦并没有不管不问,拉了一把。

80年代末,半导体市场大滑坡,美国光刻机厂商江河日下,日本的尼康、佳能成为双雄,而ASML也已经有大约10%的市场份额。在公司刚成立时,创始人普拉多等人,已经决定好了主攻方向,“定位精准”、“唯快不破”、“不踩刹车”。在该公司,加班是常有的事,大楼灯光彻夜不灭,危机处理会议每天都开。员工们把睡袋放在汽车上,随时准备“自愿”通宵。

1994年,ASML的市场份额提升到18%,超前设计的光刻机PAS5500,被台积电、三星、海力士采用,后来这些公司决定,全部的光刻机都改用ASML的产品。光刻机是个小市场,一年卖几十台的就算大厂了。因为半导体厂就这么多,一台机器又能用好多年,这导致你的机器落后一点,就没人愿意买。技术领先是夺取市场的关键,赢家通吃。ASML光刻机的设计原则是,尽量不考虑成本和售价,要做到最精密、最可靠。PAS5500如今还能在官网翻新出售。

90年代末,芯片的集成度越来越高,制造难度也越来越大,光刻机的重要性,越来越突出。为了摆脱对日本企业的依赖,英特尔牵头组织了极紫外联盟,研究最先进的光刻技术。但此时,美国的光刻机厂商已经被尼康、佳能等公司打得七零八落。既然国内没有合适的企业,那就国外找,于是英特尔决定拉ASML入伙。但是,加入新组织是有条件的,必须在美国建立工厂和研发中心,满足美国本土需求,55%的零部件要从美国厂商采购,并接受定期审查。美国为什么能让荷兰对华禁售EUV光刻机,原因就在这。

虽然条件有些苛刻,但这让ASML成为了半个美国公司,带来的好处很多。2000年,成功收购Silicon Valley Group,获得了投影掩罩瞄准技术、扫描技术,极大地提升了公司产品的质量,并在美国拥有了研发生产基地。

虽然全球半导体随着摩尔定律不断发展,但是在90年代末,光刻的光源卡在了193nm,难以突破。在之前的视频中,我们聊到过,这里的193nm,说的是光的波长,它和芯片制程的概念不一样。光的波长相当于刻刀的宽度,芯片的制程指的是,刻刀在硅片上刻出沟槽的最小宽度。从60年代开始,这把刻刀,从436nm、365nm、248nm,到如今的193nm。再往下,刻刀就要磨得更锋利,但技术出现分水岭。尼康希望稳步前进,选择157nm的激光,作为下一代刻刀。新成立的极紫外联盟押注更加激进的方案,选择几十纳米的极紫外光。不过,当时这些尝试都失败了。

2002年,台积电一个叫林本坚的工程师提出,浸润式光刻工艺。利用了一个很简单的原理,光在水中会产生折射。在光刻机的透镜和硅片之间加一层水,原来的193nm激光,经过液体发射折射,波长直接降到132nm,刻刀突破之前的瓶颈,变得更锋利。林本坚拿着方案去找日本公司,希望他们采纳,结果吃了闭门羹。ASML决定赌一把,采用林本坚的方案,以小博大,仅用一年时间,就赶制出样机。新型光刻机经过测试,性能优异,获得IBM、台积电的大量订单。光刻机不是快消品,企业花钱肯定是买最好的产品。

日本企业坚持在原有的技术上改进,没有达到预想的效果,没有客户愿意订购他们的产品,于是被迫宣布,也要去做浸润式光刻工艺。可前面我们说过,光刻领域,赢者通吃。而且,新产品总是需要至少1到3年的时间,还要跟上下游厂商不断磨合,别人比你早量产,就比你有更多的时间改善问题,提高良品率。半导体厂商更愿意去买成熟的ASML产品,不想去给日本企业当实验小白鼠。这也导致后来尼康的大溃败,2000年还是老大,但到了2009年,ASML的市占率达到了70%,遥遥领先。

ASML公司内部有这样一句话:想要征服世界,只有用一台革命性的机器,一台让竞争对手望尘莫及的机器才能做到。极紫外联盟曾提出用极紫外光雕刻芯片的想法,因为技术原因,没有取得成功。但是ASML并未放弃,虽然联盟已经解散,但该公司还一直在持续探索,为了制造出最先进的EUV光刻机,2012年,该公司提出了客户投资计划,在没有足够资金的情况下,拿出25%的股份请主要客户做联合投资。英特尔认购了15%,有5%是对EUV的投资。另外,台积电认购5%,三星想了半天认购3%。由于技术难度实在太大,三巨头其实对EUV光刻机都不看好,投资很大程度上是给个面子。但ASML依然马不停蹄研发。

2015 年,ASML的第一台可量产的EUV样机终于正式发布。这样一台机器重达180吨,有超过10万个零件,需要40个集装箱运输,安装调试都要超过一年时间。 虽然售价高达1.2亿美元一台,但还是收到雪片一样的订单。排队等交货,都要等好几年。

光刻机被称作“工业皇冠上的明珠”,与航空发动机并列,是人类工业难度极限。而要想保证光刻机良好运转,每个环节的成功率都要高于99.99%。这是工程学上的巨大挑战。正是因为ASML员工们不屈不挠地持续努力攻坚,才使得人类在这个一切由芯片驱动的时代,享受着各种手机、电脑、家电、通信基站和互联网带来的精彩生活。毫无疑问,这是ASML的重要历史功绩。

然而,受到政策、技术、资本的控制,ASML已经顺理成章地成为半个美国公司。在现代中美科技竞争的背景下,美国必然会极力掌控ASML这个“变量”。因此,对中国同行来说,要打破ASML等西方企业既定的技术规则和垄断优势,同时让多国一起共同参与精细零部件的供应及开发,才有机会让“中国芯”不再捉襟见肘。

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