要知道為什么最好的光刻機(jī)來自荷蘭,而不是美國,得從半導(dǎo)體發(fā)展的三個(gè)歷史階段說起。
前言
在20世紀(jì)70年代初,荷蘭飛利浦研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的工程師們制造了一臺機(jī)器:一臺試圖像印鈔票一樣合法賺錢的機(jī)器。但他們當(dāng)時(shí)并沒有意識到自己創(chuàng)造了一個(gè)“怪物”,這臺機(jī)器在未來的20年里除了吞噬金錢沒有做任何事情。
第一階段:上世紀(jì)60-70年代 早期光刻機(jī)
在光刻機(jī)的早期階段,美國是走在世界前面的,那時(shí)候還沒有ASML。
光刻機(jī)的原理其實(shí)像幻燈機(jī)一樣簡單,就是把光通過帶電路圖的掩膜(Mask,后來也叫光罩)投影到涂有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻,掩膜版是1:1尺寸緊貼在晶圓片上,而那時(shí)晶圓也只有1英寸大小。
因此,光刻那時(shí)并不是高科技,半導(dǎo)體公司通常自己設(shè)計(jì)工裝和工具,比如英特爾開始是買16毫米攝像機(jī)鏡頭拆了用。只有GCA、K&S和Kasper等很少幾家公司有做過一點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)設(shè)備。
60年代末,日本的尼康和佳能開始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域,畢竟當(dāng)時(shí)的光刻不比照相機(jī)復(fù)雜。
70年代初,光刻機(jī)技術(shù)更多集中在如何保證十個(gè)甚至更多個(gè)掩膜版精準(zhǔn)地套刻在一起。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對齊機(jī)臺并領(lǐng)先了幾年,Cobilt公司做出了自動生產(chǎn)線,但接觸式機(jī)臺后來被接近式機(jī)臺所淘汰,因?yàn)檠谀ず凸饪棠z多次碰到一起太容易污染了。
1973年,拿到美國軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統(tǒng),搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高,因此迅速占領(lǐng)了市場。[2]
1978年,GCA推出了世界上第一臺商用步進(jìn)光刻機(jī)DSW4800(direct step to wafer)。該機(jī)器使用g線汞燈和蔡司光學(xué)元件。以10:1的比例將芯片線路成像到10毫米見方區(qū)域。機(jī)器價(jià)格為45萬美元。第一臺機(jī)器以37萬美元的價(jià)格賣給了德州儀器的研發(fā)部門。由于剛開始DSW4800生產(chǎn)效率相對不高,Perkin Elmer在后面很長一段時(shí)間仍處于主導(dǎo)地位。
第二階段:80-90年代 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)第一次轉(zhuǎn)移
80年代左右,因?yàn)槊绹鲋?最開始是將一些裝配產(chǎn)業(yè)向日本轉(zhuǎn)移,而日本也抓住了機(jī)會,在半導(dǎo)體領(lǐng)域趁勢崛起。
在90年代前后,日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成為了全球第一,高峰期時(shí)占了全球60%多的份額,出口額全球第一,超過美國。
在那個(gè)芯片制程還停留在微米的時(shí)代,能做光刻機(jī)的企業(yè),少說也有數(shù)十家,而尼康憑借著相機(jī)時(shí)代的積累,在那個(gè)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。
短短幾年,就將昔日光刻機(jī)大國美國拉下馬,與舊王者GCA平起平坐,拿下三成市場份額。
而后來尼康作為九十年代最大的光刻機(jī)巨頭,它的衰落,說來也充滿偶然,始于那一回157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術(shù)之爭。
當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)的光源波長被卡死在193nm,是擺在全產(chǎn)業(yè)面前的一道難關(guān)。
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,光由真空入水,因?yàn)樗恼凵渎?光的波長會改變——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![3]
林本堅(jiān)拿著這項(xiàng)“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。
第三階段:新千年 ASML的崛起
1997年,英特爾攢起了一個(gè)叫EUV LLC的聯(lián)盟。聯(lián)盟中的名字個(gè)個(gè)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(shí)驗(yàn)室:勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室。
這些實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)、國家點(diǎn)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(jī)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,英特爾力邀ASML和尼康加入EUV LLC。但問題在于,這兩家公司,一個(gè)來自日本,一個(gè)來自荷蘭,都不是本土企業(yè)。
當(dāng)時(shí)的美國政府將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,更何況八九十年代在半導(dǎo)體領(lǐng)域壓了美國風(fēng)頭的日本。
但EUV光刻機(jī)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。別說日本與荷蘭,就算是美國,想要一己之力自主突破這項(xiàng)技術(shù),可以說比登天還難,畢竟美國已經(jīng)登月了。
最后,阿斯麥同意在美國建立一所工廠和一個(gè)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(jī)出口中國,一切的原因都始于此時(shí)。[4]
錯(cuò)失EUV的尼康,還未完全失去機(jī)會,讓它一蹶不振的,是盟友的離開。當(dāng)時(shí)的英特爾為了防止核心設(shè)備供應(yīng)商一家獨(dú)大,直到22nm還是一直采購ASML和尼康兩家的光刻機(jī)。
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(dú)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。
而佳能在光刻機(jī)領(lǐng)域一直沒有爭過老大,當(dāng)年它的數(shù)碼相機(jī)稱霸世界,利潤很好,對一年銷量只有上百臺的光刻機(jī)根本不夠重視。
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(jì)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。
終于,在2015年,第一臺可量產(chǎn)的EUV樣機(jī)正式發(fā)布。正所謂機(jī)器一響,黃金萬兩,當(dāng)年只要能搶先拿到機(jī)器開工,就相當(dāng)于直接開動了印鈔產(chǎn)線,EUV光刻機(jī)也因此被冠上了“印錢許可證”的名號。
可以說,整個(gè)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。
結(jié)語
ASML雖然是一家荷蘭公司,但是其背后卻由美國的資本掌控,同時(shí)很多關(guān)鍵的零部件也來自美國。美國在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大,不僅僅在于設(shè)計(jì),EDA,制造等方面技術(shù)領(lǐng)先,更是掌控著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。而光刻機(jī),是其中尤為重要的一環(huán)。
另外像ASML這樣的企業(yè),不在美國還有一大好處,就是避免了美國有反壟斷法,(AMD作為Intel的對手,Intel也不希望AMD倒下,否則將面臨巨額罰款)這家企業(yè)放在美國,可能會被分為2家。容易導(dǎo)致人才和資金的分散,研發(fā)速度下降,甚至惡意競爭,最終被其他企業(yè)反超。
