ASML如何成为光刻机霸主,设计一台光刻机到底有多难?

嵌入式ARM 2020-09-18


最近这段时间,媒体上就有一种说法,说欧洲早已经不是全球创新的领袖了。之前有个数据,说在全球涉及到数字化的公司里,排名前15的,没有一个是欧洲公司。

关于这背后的原因,有很多说法,有说因为欧洲缺少风险投资基金的,有说因为欧洲市场分裂、规矩太多的。总之,情况就是欧洲没有能让科技公司长大的沃土。
但是,欧洲的科技行业,难道真的就毫无可圈可点之处么?
其实也不是。就拿现在最受关注的芯片行业来说吧。你知道,芯片相当于全球科技的基础设施,牵一发而动全身。而对芯片行业本身来说,有一个制约它发展的重要环节,相当于“命门”就是一种叫做“光刻机”的生产设备。
全球的光刻机市场,几乎都被一家欧洲公司垄断了,叫做阿斯麦,总部在荷兰。我在微信公众号远川科技评论上看到一篇文章,叫做《光刻机大败局》。这篇文章讲的是,当初不起眼的阿斯麦,是怎么挑落光刻机行业原本的霸主,一步步走上产业巅峰的。
在今天这里分享一下这背后的故事。
阿斯麦这家公司有多牛呢?在去年全球的光刻机市场中,阿斯麦占据了74%的市场份额,是不折不扣的巨无霸。他们生产的光刻机,有“印钞机许可证”之称,一台就1.2亿美元。
那为什么说,光刻机是整个芯片产业的命门呢?
因为在芯片生产的过程中,光刻机相当于雕刻刀,在硅片上雕刻出设计好的电路图。现在世界上最先进的光刻机,叫做EUV光刻机,只有阿斯麦才能做得出来。也难怪阿斯麦的董事长曾经撂下过一句狠话:如果我们交不出EUV,摩尔定律就会从此停止。
不过,阿斯麦可不是从创业之初,一路赢到现在。在上个世纪80年代,阿斯麦只是飞利浦旗下的一家小合资公司,全司上下算上老板只有31位员工,所有人在飞利浦总部旁边临时搭起的板房内办公,十分窘迫。
当时光刻机市场如日中天的霸主,是日本的尼康公司。
英特尔、IBM、AMD、德州仪器这些大公司,每天都等着尼康的新产品发布。这和今天的三星、台积电为了阿斯麦的光刻机抢破头,是一个阵仗。
但为什么在短短30年的时间里,阿斯麦就能反超尼康,将过去的老大挑落下马呢?我来和你说一下这个过程。
阿斯麦赢下的第一手棋,其实是有运气的成分,那就是他们在技术迭代这件事上,押对了宝。
摩尔定律你肯定很熟悉,说的是在一个集成电路上,能排列下的元器件数量,差不多每两年就要翻一倍。芯片的体积会越来越小,但是功能却会越来越强大。
这条定律,对于光刻机生产商有很大影响。它就像是一条鞭子,让他们必须时刻加快脚步,跑在摩尔定律前面,提前交付出合格的硬件设备。毕竟没人会用旧的工具,生产新的产品。
刚好,阿斯麦进军光刻机的时候,这个领域的门槛还不是很高。这也是为什么这个30人的小公司,也可以干起光刻机。
但是,因为摩尔定律不断生效,这让光刻机制造的难度越来越高。在上个世纪90年代,光刻机产业迎来了自己的一个难关。光刻机的光源波长被卡死在了193nm。
光源是什么概念呢?前面我们说,光刻机是一把雕刻刀,光源就相当于是刀尖儿。需要雕刻的芯片越精细,刀尖儿也得磨得越细。而波长越短,就相当于,刀尖儿越锋利。
所以,谁能把光源波长变短,谁就能在摩尔定律生效的下一个周期吃尽红利。
为了突破这个难关,各大公司都有自己的策略。
比如尼康等公司决定走稳健路线,也就是在之前技术的基础上,采用157nm的F2激光,一步步来。
阿斯麦作为光刻机领域的小玩家,并没有选择跟着大公司走。他们选择赌一把。
赌什么呢?当时的台积电,有一位叫做林本坚的工程师。这位工程师提出了一个特别开脑洞的想法,说在光刻机的透镜和硅片之间,加上一层水,就可以通过光的折射原理,让原有的激光波长,从193nm,缩短到132nm。这个方法被称为“沉浸式光刻”。
这个点子听起来挺好,但当时的大公司可并不买账。主要原因有两个,一个是大家觉得芯片生产是个精细活,加入水这个变量,容易污染设备,太冒险。另一个是在这些厂商眼中, “沉浸式光刻”只是一个权宜之计,不是正道,就算他们靠着“沉浸式光刻”领先一时,在未来也会被别的对手反超。
不过年轻的阿斯麦没有这方面的顾虑,它选择押注“沉浸式光刻”。在和林本坚的合作中,只用了一年的时间,阿斯麦在2004年就造出了第一台样机,然后拿下了IBM、台积电这样大客户的订单。
尼康在这场比赛中落伍了,在半年之后,他们按照自己的研发思路,研发出了157nm的光刻机,但是被阿斯麦打了个先手,再加上它的光刻机在精度上,还落后于阿斯麦,这也让尼康的市场份额,第一次被反超。
但是问题来了,你想,尼康毕竟在光刻机领域耕耘多年,无论是财力还是技术底蕴,肯定都领先于阿斯麦。为什么它在被反超之后,就一直落后,没有把领导权夺回来呢?
这就要说到阿斯麦赢下的第二手棋,也就是它成功成为美国的“政治盟友”。
和你介绍一下,上世纪90年代,为了突破193nm这个天堑,英特尔等一系列公司,主张采用EUV,也就是极紫外光刻方案。EUV到现在都是世界上顶尖的技术,那在20多年前,肯定英特尔也没法一人搞定,于是在1997年,它攒起了一个叫EUV LLC的联盟。
这个联盟的成员,那真是芯片行业的全明星阵容。这个联盟不仅有摩托罗拉、AMD、IBM等等公司,还有美国能源部下属的三大国家实验室。这些实验室就很厉害了,远川科技研究的文章写道,它们之前的研究成果,覆盖物理、化学、半导体、超级计算机等等各种前沿的领域。
但别看这个联盟阵容强大,有一件事很尴尬,那就是他们的理论成果,没法落地。因为此前,在和尼康的竞争中,美国的光刻机企业被打得落花流水,不堪大用。对于组建联盟的英特尔来说,要想让理论产出实际成果,只能选择国外的帮手,可选择的帮手只有两家,一个是尼康,一个是阿斯麦。
在这两家企业之中,美国选择了阿斯麦。原因是,尼康是日本公司,美国担心,如果日本获得新技术,会反过来扼住美国的咽喉。相比之下,阿斯麦是个更容易被“调教”好的合作对象。
加入EUV联盟,给阿斯麦带来了很多好处,比如在2009年的时候,美国一家叫做Cymer的公司,研发出了EUV技术所需要的光源,这家公司就顺势成为了阿斯麦的供应商。
在四年之后,Cymer公司更是被阿斯麦用25亿美元的价格并购。你要知道,Cymer公司所拥有的顶尖技术,在全球范围内也不超过三家。所以有人评价,在这起并购案中,美国其实是帮助阿斯麦公司走了个后门。
反过来,我们再看被EUV联盟抛弃的尼康呢?可以说,阿斯麦和尼康之间迅速拉开了差距。
咱们就看一个细节。有一个工业名词,我想和你分享,叫做稼动率。你可以把它简单理解为,一家公司制造出来的设备,有多大概率能发挥出它的最高产能。
本来,尼康和阿斯麦的光刻机,理论上来说,每小时能加工的芯片数量其实差不多,彼此拉不开差距。
但是在稼动率,也就是实际表现上,这两家公司差别可大了。阿斯麦的光刻机,稼动率可以维持在95%左右,十分靠谱。
而尼康的光刻机虽然价格便宜,但是稼动率只有50%,这对于芯片制造商来说,自然是个不可接受的数字。
也正是因为在质量上被远远地超越,尼康光刻机慢慢地退出了高端光刻机市场。而在2015年,阿斯麦发布了第一台可以量产的EUV样机,这让阿斯麦在光刻机领域,彻底奠定了自己的垄断地位,宣告了对尼康的胜利。
那设计一台光刻机,究竟有多难?


-END-


来源:得到、欧洲科技圈




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