一文揭秘为什么最好的光刻机来自荷兰而不是美国

要知道为什么最好的光刻机来自荷兰,而不是美国,得从半导体发展的三个历史阶段说起。

前言

在20世纪70年代初,荷兰飞利浦研发实验室的工程师们制造了一台机器:一台试图像印钞票一样合法赚钱的机器。但他们当时并没有意识到自己创造了一个“怪物”,这台机器在未来的20年里除了吞噬金钱没有做任何事情。

第一阶段:上世纪60-70年代早期光刻机

在光刻机的早期阶段,美国是走在世界前面的,那时候还没有ASML。

光刻机的原理其实像幻灯机一样简单,就是把光通过带电路图的掩膜(Mask,后来也叫光罩)投影到涂有光敏胶的晶圆上。早期60年代的光刻,掩膜版是1:1尺寸紧贴在晶圆片上,而那时晶圆也只有1英寸大小。

因此,光刻那时并不是高科技,半导体公司通常自己设计工装和工具,比如英特尔开始是买16毫米摄像机镜头拆了用。只有GCA、K&S和Kasper等很少几家公司有做过一点点相关设备。

60年代末,日本的尼康和佳能开始进入这个领域,毕竟当时的光刻不比照相机复杂。

70年代初,光刻机技术更多集中在如何保证十个甚至更多个掩膜版精准地套刻在一起。Kasper仪器公司首先推出了接触式对齐机台并领先了几年,Cobilt公司做出了自动生产线,但接触式机台后来被接近式机台所淘汰,因为掩膜和光刻胶多次碰到一起太容易污染了。

1973年,拿到美国军方投资的PerkinElmer公司推出了投影式光刻系统,搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高,因此迅速占领了市场。[2]

1978年,GCA推出了世界上第一台商用步进光刻机DSW4800(directsteptowafer)。该机器使用g线汞灯和蔡司光学元件。以10:1的比例将芯片线路成像到10毫米见方区域。机器价格为45万美元。第一台机器以37万美元的价格卖给了德州仪器的研发部门。由于刚开始DSW4800生产效率相对不高,PerkinElmer在后面很长一段时间仍处于主导地位。

第二阶段:80-90年代半导体产业第一次转移

80年代左右,因为美国扶植,最开始是将一些装配产业向日本转移,而日本也抓住了机会,在半导体领域趁势崛起。

在90年代前后,日本的半导体产业成为了全球第一,高峰期时占了全球60%多的份额,出口额全球第一,超过美国。

在那个芯片制程还停留在微米的时代,能做光刻机的企业,少说也有数十家,而尼康凭借着相机时代的积累,在那个日本半导体产业全面崛起的年代,正是当之无愧的巨头。

短短几年,就将昔日光刻机大国美国拉下马,与旧王者GCA平起平坐,拿下三成市场份额。

而后来尼康作为九十年代最大的光刻机巨头,它的衰落,说来也充满偶然,始于那一回157nm光源干刻法与193nm光源湿刻法的技术之争。

当时的光刻机的光源波长被卡死在193nm,是摆在全产业面前的一道难关。

降低光的波长,光源出发是根本方法,但高中学生都知道,光由真空入水,因为水的折射率,光的波长会改变——在透镜和硅片之间加一层水,原有的193nm激光经过折射,不就直接越过了157nm的天堑,降低到132nm了吗![3]

林本坚拿着这项“沉浸式光刻”方案,跑遍美国、德国、日本等国,游说各家半导体巨头,但都吃了闭门羹。

当时还是小角色的阿斯麦(1984年飞利浦和一家小公司ASMInternationa以50:50组成的合资公司,最初员工只有31人)决定赌一把,相比之前在传统干式微影上的投入,押注浸润式技术更有可能以小博大。于是和林本坚一拍即合,仅用一年时间,就在2004年就拼全力赶出了第一台样机,并先后夺下IBM和台积电等大客户的订单。

第三阶段:新千年ASML的崛起

1997年,英特尔攒起了一个叫EUVLLC的联盟。联盟中的名字个个如雷贯耳:除了英特尔和牵头的美国能源部以外,还有摩托罗拉、AMD、IBM,以及能源部下属三大国家实验室:劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利实验室。

这些实验室是美国科技发展的幕后英雄,之前的研究成果覆盖物理、化学、制造业、半导体产业的各种前沿方向,有核武器、超级计算机、国家点火装置,甚至还有二十多种新发现的化学元素。

资金到位,技术入场,人才云集,但偏偏联盟中的美国光刻机企业SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落,根本烂泥扶不上墙。于是,英特尔力邀ASML和尼康加入EUVLLC。但问题在于,这两家公司,一个来自日本,一个来自荷兰,都不是本土企业。

当时的美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术,并不太希望外国企业参与其中,更何况八九十年代在半导体领域压了美国风头的日本。

但EUV光刻机又几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。光源功率要求极高,透镜和反射镜系统也极致精密,还需要真空环境,配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也不高。别说日本与荷兰,就算是美国,想要一己之力自主突破这项技术,可以说比登天还难,毕竟美国已经登月了。

最后,阿斯麦同意在美国建立一所工厂和一个研发中心,以此满足所有美国本土的产能需求。另外,还保证55%的零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查。所以为什么美国能禁止荷兰的光刻机出口中国,一切的原因都始于此时。[4]

错失EUV的尼康,还未完全失去机会,让它一蹶不振的,是盟友的离开。当时的英特尔为了防止核心设备供应商一家独大,直到22nm还是一直采购ASML和尼康两家的光刻机。

但备胎终究是备胎,一转身,英特尔就为了延续摩尔定律的节奏,巨资入股阿斯麦,顺带将EUV技术托付。

另一边,相比一步步集成了全球制造业精华的阿斯麦,早年间就习惯单打独斗的尼康在遭遇美国封锁后,更是一步步落后,先进设备技术跟不上且不提,就连落后设备的制造效率也迟迟提不上来。

而佳能在光刻机领域一直没有争过老大,当年它的数码相机称霸世界,利润很好,对一年销量只有上百台的光刻机根本不够重视。

这边旧人哭,那边新人笑:2012年,英特尔连同三星和台积电,三家企业共计投资52．29亿欧元,先后入股阿斯麦,以此获得优先供货权,结成紧密的利益共同体。

终于,在2015年,第一台可量产的EUV样机正式发布。正所谓机器一响,黄金万两,当年只要能抢先拿到机器开工,就相当于直接开动了印钞产线,EUV光刻机也因此被冠上了“印钱许可证”的名号。

可以说,整个西方最先进的工业体系,托举起了如今的阿斯麦。而一代霸主尼康,也自此彻底零落在历史的尘埃之中。

结语

ASML虽然是一家荷兰公司,但是其背后却由美国的资本掌控,同时很多关键的零部件也来自美国。美国在半导体产业的强大,不仅仅在于设计,EDA,制造等方面技术领先,更是掌控着整个产业链。而光刻机,是其中尤为重要的一环。

另外像ASML这样的企业,不在美国还有一大好处,就是避免了美国有反垄断法,(AMD作为Intel的对手,Intel也不希望AMD倒下,否则将面临巨额罚款)这家企业放在美国,可能会被分为2家。容易导致人才和资金的分散,研发速度下降,甚至恶意竞争,最终被其他企业反超。

纵观光刻机半个多世纪的发展史,ASML抓住了历史的机遇,同时也是美日半导体博弈中的幸运儿,在三家半导体巨头:英特尔、三星、台积电的支持下,成为了半导体行业的巨人!