光刻機霸主阿斯麥封神之路

現在,5nm製程芯片作為目前可量產的最先進芯片,將是頂級手機的標配,也是摩爾定律真正的捍衛者。年內將推出的華為Mate 40採用的麒麟1020芯片、蘋果iPhone 12搭載的A14仿生芯片不出意外,都會採用5nm製程。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

文 | 董溫淑

不少證據正在證實這一點,3月份,有爆料稱台積電成功流片麒麟1020;4月份,台積電宣布為蘋果代工A14芯片;在近期的中美貿易摩擦中,台積電是否能按時向華為出貨Mate 40芯片也着實讓人捏了一把汗。這一連串事件之中,為兩大手機龍頭代工芯片的台積電成為關鍵角色,舉足之間關繫着華為手機芯片供應的命運。

然而,台積電能吃下蘋果、華為的5nm訂單,背後還少不了一家荷蘭廠商的存在:芯片製造要想突破10nm以下節點,必須要用到EUV(極紫外線)光刻技術,而EUV光刻機只有荷蘭公司阿斯麥(ASML)能造。不論是5nm量產賽道第一名台積電,還是第二名三星,想造出產品,就只能先乖乖向阿斯麥訂貨。

作為全球5nm產線不可或缺的狠角色,阿斯麥到底是一家什麼樣的公司?

我們不妨先理解「光刻」這項技術的重要性。如果把芯片比作刻版畫。芯片生產的過程就是在硅襯底這張「紙」上,先塗上一層名為光刻膠的「油墨」,再用光線作「筆」,在硅襯底上「拓」出需要的圖案,然後用化學物質做「刻刀」,把圖案雕刻出來。

其中,以光線為「筆」、拓印圖案這一步被稱為光刻。在芯片製造幾百道工序里,光刻是芯片生產中最重要的步驟之一。圖案線條的粗細程度直接影響後續的雕刻步驟。目前市場上主流的光刻技術是DUV(深紫外線)技術,最先進的則是EUV技術。

完成這一步需要用到的設備——光刻機,一台售價從數千萬美元高至過億美元。要知道,美國最先進的第五代戰機F-35閃電II式的售價還不到8000萬美元。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

放眼全球,光刻機市場幾乎被3家廠商瓜分:荷蘭的阿斯麥(ASML)、日本的尼康(Nikon)和佳能(Canon)。

在這3家中,阿斯麥又是當之無愧的一哥。據中銀國際報告,阿斯麥全球市場市占率高達89%!其餘兩家的份額分別是8%和3%,加起來僅有11%。在EUV光刻機市場中,阿斯麥的市占率則是100%。

要指出的是,阿斯麥並非生來就含着金湯匙。阿斯麥成立於1984年,入局光刻機市場晚於尼康(1917年成立,1980年發售其首款半導體光刻機)和佳能(1937年成立,1970年推出日本首台半導體光刻機)。成立之初,阿斯麥只有31名員工,還曾面臨資金鏈斷裂的窘境。

36年間,這家幾近破產的小公司是怎樣成長為光刻機一哥的?又是如何在十多年里占據第一寶座屹立不倒的?今天,智東西就來復盤這家荷蘭光刻機之星的逆襲之路。

更為重要的一點,在美國狙擊華為芯片供應的組合拳里,阿斯麥間接或直接地成為一顆關鍵棋子,美國人憑什麼限制阿斯麥的生意,背後又有怎樣的淵源?

一、光刻機市場的傳說,全球5nm產線的唯一選擇

在鬱金香國度荷蘭的南部,坐落着一個居民人數20餘萬的市鎮,艾恩德霍芬,阿斯麥(Advanced Semiconductor Material Lithography,直譯:先進半導體材料光刻技術)總部就位於此。

阿斯麥是一家採用「無工廠模式」的光刻設備生產商,主要產品就是光刻機,還提供服務於光刻系統的計量和檢測設備、管理系統等。

翻開全球芯片廠商的光刻機訂貨單,其中絕大多數都發給了阿斯麥。以2019年為例,阿斯麥共出貨229台光刻機,淨銷售額為118.2億歐元,淨利潤為25.2億歐元。相比之下,尼康出貨46台,佳能出貨84台。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲阿斯麥、尼康、佳能出貨量對比

除了出貨量占優,阿斯麥(ASML)也代表着全球最頂尖的光刻技術。在阿斯麥2019年賣出的229台光刻機中,有26台是當今最高端的EUV(極紫外線)光刻機。而在EUV光刻市場,阿斯麥是唯一的玩家。

EUV光刻機採用13.5nm波長的光源,是突破10nm芯片製程節點必不可少的工具。也就是說,就算DUV(深紫外線)光刻機能從尼康、佳能那里找到替代,但如果沒有阿斯麥的EUV光刻機,芯片巨頭台積電、三星、英特爾的5nm產線就無法投產。

時間邁進2020,光刻機市場三分的格局中,阿斯麥已穩居第一10多年。在「光刻機一哥」光環的背後,阿斯麥又有怎樣的故事?

智東西從技術路線選擇、先進技術攻關、資金支持、研發投入等方面入手,還原出這個故事真實、立體的脈絡。

二、與台積電鬼才相互成就,21世紀阿斯麥冉冉升起

羅馬不是一天建成的,阿斯麥的成功也絕非一蹴而就。今日風頭無兩的光刻機市場一哥背後,是一個卑微的開始和一段曲折的往事。

故事要從20世紀80年代講起,那時候距離摩爾定律被正式提出(1975年)不到10年,增加芯片晶體管數目還不是讓全球半導體學者擠破頭的課題。相應地,對光刻機光源波長的要求較低。當時的光刻機採用乾式微影技術,簡言之,光源發光,光線在塗有光刻膠的硅基底上「畫」就完了。

比如,1980年尼康推出的可商用步進式重復式光刻機(Stepper),光源波長為1微米。連芯片廠家英特爾也自己設了個光刻機部門,用買來的零件組裝光刻機。

通俗來說,步進式重復光刻機的工作原理是使塗有光刻膠的硅片與掩膜板對准並聚焦,通過一次性投影,在晶圓片上刻畫電路。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲尼康1980年推出的光刻機NSR-1010G

在這種背景下,荷蘭電子產品公司飛利浦在實驗室鼓搗出了步進式掃描光刻技術的雛型,但拿不准這項技術的商業價值。思前想後,它決定拉人入伙,讓合作者繼續研發,這樣既有人分攤成本,也給了自己觀望的機會。

步進式掃描光刻技術的原理是,光線透過掩膜板上的狹縫照射,晶圓與掩膜板相對移動。完成當前掃描後,晶圓由工作檯承載,步進至下一步掃描位置,進行重復曝光。整個過程經過重復步進、多次掃描曝光。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲步進式掃描光刻技術示意圖

在飛利浦的設想里,理想的合夥人當然是技術先進、實力雄厚的美國大廠,如IBM、GCA之流。但在美國走了一圈後,飛利浦意識到了現實的骨感:各大廠商紛紛表示拒絕。

但是,並非所有人都不看好飛利浦的光刻項目,就在飛利浦碰壁之際,荷蘭小公司ASMI(ASM International,直譯為ASM國際)的老闆Arthur Del Prado跑來,自薦要接下飛利浦的光刻項目。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲Arthur Del Prado

ASM International創立於1964年,是一家半導體設備代理商,對製造光刻機並無經驗。因此,飛利浦猶豫了1年的時間。最終,1984年,飛利浦選擇「屈就」,同意與ASMI公司各自出資210萬美元,合資成立阿斯麥,由這才開啟了阿斯麥的故事。

阿斯麥首任CEO為Gjalt Smit,任職時間為1984~1988年。據稱,由於阿斯麥成立初期知名度較低,Gjalt Smit曾在未經授權的情況下在阿斯麥招聘廣告中使用飛利浦的標志。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲阿斯麥創始初期CEO Gjalt Smit

2013年至今,阿斯麥總裁兼CEO由Peter Wennink擔任。Peter Wennink早在1999年就加入了阿斯麥,曾擔任過執行副總裁、首席財務官等職。在加入阿斯麥之前,Peter就職於全球四大會計師事務所之一的德勤會計師事務所。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲現任阿斯麥總裁兼CEO Peter Wennink

其實,在與飛利浦合資成立阿斯麥之前約10年的1975年,ASMI就曾在香港開設辦公室。最初,ASMI香港辦公室只負責銷售,隨着時間推移,該辦公室發展出了生產能力。1988年,ASMI在香港辦公室的基礎上成立了新公司ASMPT( Technology,直譯為ASM太平洋技術)。到今天,ASMPT已成長為全球最大的半導體組裝和封裝技術供應商之一。

作為站在阿斯麥、ASMI、ASMPT背後的操盤手,Arthur Del Prado成為一代業界傳奇,被譽為「歐洲半導體設備行業之父」。2016年,這位傳奇人物以85歲高齡逝世,但與他淵源頗深的三家半導體公司仍在創造新故事。Arthur的長子Chuck Del Prado,於2008年接替Arthur繼任為ASMI CEO,並於2019年退休。ASMI現任CEO是Benjamin Loh。ASMPT現任CEO是Robin Ng。

回到阿斯麥的故事,飛利浦同意出資210萬美元成立阿斯麥,但拒絕提供更多資金和辦公場地。成立之初的阿斯麥只有31名員工,由於沒有辦公室,這31名員工就窩在飛利浦大廈外的簡易木板房里辦公。當時,飛利浦絕不會想到,這個幾乎被當作「棄子」的項目和退而求其次選擇的小公司,孕育出的是能把尼康拉下馬的光刻機新星。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲垃圾車後面就是阿斯麥成立之初的簡易木板屋,其後的大廈是飛利浦大廈

如前所說,20世紀80年代還是光刻機的技術紅利期。在乾式微影技術的技術路線下,阿斯麥成立的第一年就造出了步進式掃描光刻機PAS 2000。但是,技術的紅利期很快就會過去,之後發生的一切會造就光刻機市場的新格局。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲阿斯麥於1984年推出的PAS 2000

進入21世紀,為了延續摩爾定律,人們改進了晶體管架構方式,但光刻機光源波長卡在了193nm上。這造成的後果是光刻「畫」出的線條不夠細致,阻礙晶體管架構的實現。要解決這個問題,最直接的方式就是把光源波長縮短,比如尼康、SVG等廠商試圖採用157nm波長的光線。

實踐中,實現157nm波長的光刻機並不容易。首先,157nm波長的光線極易被193nm光刻機使用的鏡片吸收;其次,光刻膠也要重新研發;另外,相比於193nm波長,157nm波長進步不到25%,回報率較低。但在當時,這似乎是唯一的辦法。

到了2002年,時任台積電研發副經理林本堅提出:為什麼非要改變波長?在鏡頭和光刻膠之間加一層光線折射率更好的介質不就行了?那麼什麼介質能增加光的折射率呢?林本堅說,水就可以。與乾式光刻技術相對,林本堅的技術方案被稱為浸沒式光刻技術。經過水的折射,光線波長可以由193nm變為132nm。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

時間再往回推15年(1987年),林本堅就職於IBM,那時他就有了浸沒式光刻技術的想法。2002年芯片製程卡在65nm之際,林本堅看到了浸沒式光刻技術的機會。為了解決技術難題、消除廠商疑慮,林本堅花費半年時間帶領團隊發表3篇論文。

當時,業界質疑水作為一種清潔劑,會把鏡頭上的髒東西洗出來,還有人擔憂水中的氣泡、光線明暗等因素會影響折射效果。根據林本堅團隊的研究,他們提出了一種曝光機,可以保持水的潔淨度和溫度,使水不起氣泡。雖然這種曝光機並未在實際中被採用,但林本堅的研究證明了技術上的難題是可以被解決的。

他還親自奔赴美國、日本、德國、荷蘭等地,向光刻機廠商介紹浸沒式光刻的想法。但是,有能力進行研發的大廠普遍不買賬。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲林本堅

個中原因也不難理解,自20世紀60年代起,玩家入局光刻機市場,在乾式光刻技術上投入了大量財力、人力、物力,好不容易踏出一條可行的技術路線。如果按照林本堅「加水」的想法,各位前輩就得「一夜回到解放前」,從技術到設備重新探索。很少有人捨得這麼高的沉沒成本。但是,「很少有人」不代表「沒有人」。

奔波到荷蘭後,林本堅終於聽到了一個好消息:阿斯麥願做這第一個吃螃蟹的勇士。2003年10月份,ASML和台積電研發出首台浸沒式光刻設備——TWINSCAN XT:1150i。2004年,阿斯麥的浸沒式光刻機改進成熟。同年,尼康宣布了157nm的乾式光刻機和電子束投射產品樣機。

但是,一面是改進成熟的132nm波長新技術,一面是157nm波長的樣機,勝負不言而喻。

數據顯示,在2000年之前的16年里,ASML占據的市場份額不足10%。2000年後,阿斯麥市場份額不斷攀升。到2007年,阿斯麥市場份額已經超過尼康,達到約60%。

當命運之神把浸沒式光刻微影的機遇擺放到阿斯麥、尼康等玩家面前,只有阿斯麥勇敢地伸出手,而尼康則是成也乾式微影、敗也乾式微影。在全球光刻機市場這一回合的較量中,阿斯麥選擇了正確的技術路線,從而贏得了後來居上的機會。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲首台浸沒式光刻設備——TWINSCAN XT:1150i

三、集合美國、歐洲科研力量,點亮EUV科技樹

如果說推出浸沒式光刻機讓阿斯麥領先尼康一步,那麼突破EUV光刻技術則讓它成為了名副其實的光刻機一哥。2010年至今,EUV光刻市場中只有阿斯麥一位玩家。

突破10nm節點能夠帶來的經濟效益不必贅述,在眾多玩家中,為什麼只有阿斯麥掌握了EUV光刻機的核心技術?實際上,這與它集合了美國、歐洲的頂級科研力量有關。這段故事還要從1997年講起。

1997年,英特爾認識到跨越193nm波長的困難,渴望通過EUV來另闢蹊徑。為了能從其他玩家處借力,英特爾說服了美國政府,二者一起組建了一個名為「EUV LLC(The Extreme Ultraviolet Limited Liability Company,極紫外線有限責任公司)」的組織。EUV LLC里可謂是群英薈萃,商業力量有摩托羅拉、AMD、英特爾等,還匯集了美國三大國家實驗室。

EUV LLC里,美國成員構成了主體。在對外國成員的選擇上,英特爾和白宮產生了分歧。英特爾看中阿斯麥和尼康在光刻機領域的經驗,想拉他們入伙。但白宮認為如此重要的先進技術研發不該邀「外人」入局。

此時,阿斯麥顯示出了驚人的前瞻能力,它向美國表示:我願意出資在美國建工廠和研發中心,並保證55%的原材料都從美國采購,只求你們研究EUV一定要帶我玩。

如此誠意讓美國難以拒絕,就這樣,阿斯麥成為EUV LLC里唯二的兩家非美國公司之一,另一家是德國公司英飛凌。

反觀尼康,這一次則完全是吃了國籍的虧。1998年發表的文件《合作研發協議和半導體技術:涉及DOE-Intel CRADA的事宜》,寫明了尼康被排除在EUV LLC外的終極原因:「……有人擔心尼康會成功將技術轉移到日本,從而消滅美國的光刻工業。」

1997年到~2003年,阿斯麥和世界頂級的半導體領域玩家聚集在EUV LLC,用了6年時間回答一個問題:EUV有可能實現嗎?他們發現答案是肯定的。至此,EUV LLC使命完成,在2003年就地解散,其中各個成員踏上獨自研發之路。

其實,其他歐洲、日本、韓國的玩家也曾探索過EUV光刻技術。但是,他們的實力始終無法與匯集了美國頂級科研實力的EUV LLC相比,這意味着阿斯麥在EUV研發之路上占得先機。國際光電工程學會(SPIE)官網寫出了EUV LLC的重要性:「如果不是EUV LLC對技術的形成和追求,EUV光刻技術就不會成為IC製造領域的未來競爭者。」

6年時間里,EUV LLC證明了用極紫外線作為光源造光刻機是可行的,但卻沒指出一條明路。到了2005年,EUV光刻機還是連個影子都沒有,但巨額的研發資金、難以跨越的技術瓶頸已經足以讓大多數玩家望而卻步。但是,阿斯麥還是不肯死心,並且決定要牽頭歐洲的EUV研發項目。如果說在EUV LLC中,阿斯麥是蜷縮在角落里等待被其他大玩家「帶飛」,那這一次,阿斯麥則是要自己做領頭雁。

研發過程面臨的困難無非集中在資金和技術兩方面,阿斯麥把它們逐個擊破。缺錢?那就去找,阿斯麥從歐盟第六框架研發計劃中拉來2325萬歐元經費。缺技術?阿斯麥集合3所大學、10個研究所、15個公司聯合開展了「More Moore」項目,着力攻堅。

終於,2010年,阿斯麥出貨了首台EUV光刻機。這台光刻機型號為NXE:3100,被交付給台積電,用於進行研發。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲台積電2010年2月22日聲明:《台積電接收阿斯麥的EUV光刻系統用於下一代技術的研究與開發(TSMC to Take Delivery of an ASML EUV Lithography System for Research and Development on Future Technology Generations)》

至此,在EUV市場,阿斯麥已經做到了人無我有,接下來的問題就是產品的迭代和進化。2013年,阿斯麥收購了光源提供商Cymer,為公司量產EUV設備打基礎。經過幾次升級,阿斯麥在2016年推出首台可量產的EUV光刻機NXE:3400B並獲得訂單。NXE:3400B售價約為1.2億美元,從2017年第二季度起開始出貨。直到今天,產品的迭代還在繼續。根據阿斯麥的信息,EXE:5000系列光刻機樣機最快在2021年問世。

從1997年到2010年,13年的艱難求索,終於讓阿斯麥攻克了EUV的技術高地。辛勤付出終有回報,目前,阿斯麥仍是唯一掌握EUV光刻技術的廠商。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲阿斯麥的最新EUV光刻機TWINSCAN NXE:3400C

四、沒錢?邀台積電、英特爾、三星入股,拉回53億歐元

根據公開信息,一台EUV光刻機售價約為1.2億美元,一台DUV光刻機的售價也要數千萬美元。在高額售價的背後,是前期研發階段巨量的資金投入。要支撐對光刻技術的研發,阿斯麥必須找到一條可持續的「財路」,否則就可能陷入困境。

事實上,阿斯麥也的確經歷過「財政危機」。1988年,阿斯麥進軍台灣市場,還未來得及在新的市場競爭中喘口氣,老東家ASMI就因無法獲得預期內的回報比作出撤資決定。同時,由於當時全球電子行業市場不樂觀,飛利浦也宣布了一項成本削減計劃。內外夾擊之下,阿斯麥幾近破產。好在危機時刻,時任阿斯麥CEO Gjalt Smit聯系了飛利浦董事會成員Henk Bodt,後者說服了飛利浦董事會,為阿斯麥拉來一筆約1億美元的「救命錢」。

這筆資金幫助阿斯麥在進軍台灣市場的初期站穩了腳。隨後幾年,阿斯麥憑借步進式掃描光刻機扭虧為盈,並於1995年3月15日在阿姆斯特丹和紐約證券交易所成功上市,上市首日市值為約1.25億美元。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲Henk Bodt

為了能夠獲得充足的資金支持,2012年,阿斯麥提出一項「客戶聯合投資計劃」(CCIP,Customer Co-Investment Program),簡單來說,就是接受客戶的注資,客戶成為股東的同時擁有優先訂貨權。這無疑是一個雙贏的舉措:把阿斯麥的研發資金壓力轉移出去,讓客戶為先進光刻技術的研發買單,這樣不僅使阿斯麥無後顧之憂地進行研發,也保證了客戶對先進光刻技術的優先使用權。

2012年,芯片製造行業3大龍頭英特爾、台積電、三星都推出了22nm芯片產品。CCIP計劃一經推出,這3家公司紛紛響應。根據協議,英特爾斥資41億美元收購荷蘭芯片設備製造商阿斯麥公司的15%股權,另出資10億美元,支持阿斯麥加快開發成本高昂的芯片製造科技。台積電投資8.38億歐元,獲取阿斯麥公司約5%股權。三星斥資5.03億歐元購得3%股權,並額外注資2.75億歐元合作研發新技術。

最終,阿斯麥以23%的股權共籌得53億歐元資金。要知道,2012年全年,阿斯麥的淨銷售額才約為47.3億歐元。

五、長盛不衰的秘訣:大力搞研發的傳統

在科技圈,研發、創新能力就是生命力。華為5G、芯片技術為什麼強?任正非曾在接受采訪時表示,2020年華為將把約200億美元(約合人民幣1420億元)花在研發上。而在研發方面,阿斯麥與華為一樣「瘋狂」。

早在2002年,阿斯麥就敢向浸沒式光刻技術押注。到了今天,大力投資搞技術研發已經成為阿斯麥的傳統。

根據2019年度財報,阿斯麥全年投入了20億歐元用於技術研發,占到淨銷售額(118.2億歐元)的16.9%。相比之下,2019年尼康在光刻系統上的投資為3.98億日元,占到光刻系統營收(2397.28億日元)的約0.17%。

2007年開始,「時年」13歲的阿斯麥開始以領先的姿態傲然於光刻機市場,至今仍然如此。列出阿斯麥近些年的研發投入,或能解釋它這麼多年來屹立不倒的原因。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

▲近5年阿斯麥研發投入及營收情況

另外,在專利網站Patentscope上的搜索結果顯示,阿斯麥申請的專利數目已經達到14444項。阿斯麥雖然是一家商業公司,但支撐它走得更遠的,不是對金錢的追求,而是對技術的長遠投資。

光刻機霸主阿斯麥封神之路

結語:36年成就光刻機傳奇

回顧過去36年,阿斯麥從一個蜷縮在木板房中的小公司成長為一代光刻機巨擘,其中原因少不了歷史的機遇,如林本堅適時提出了浸沒式光刻技術的想法。但是,更具決定性意義的是阿斯麥准確的前瞻和果斷的選擇,比如,在21世紀初,阿斯麥放棄乾式微影,轉投浸沒式光刻技術;再比如,早在1997年,阿斯麥以自身妥協換來EUV LLC的入場券。對於商業與技術相互促進的關系,阿斯麥還有着深刻的理解,多年來對技術研發的大力投入,成為它屹立不倒的重要原因。手握頂尖的技術,阿斯麥還獲得了客戶的支持,從而在全球光刻機市場中走得更遠。

以阿斯麥這36年的歷程為鑒,對比。1977年,第一台光刻機誕生,加工晶片直徑為75毫米。今天,光刻機製造商有上海微電子、中科院光電所等,最先進的設備推進至22nm節點,而國際最先進工藝已突破5nm節點。光刻機無疑還有很長的路要走。

芯片是「中國製造」的痛點。不論是近期華為被美國斷供芯片的新聞,還是兩會政府工作報告中「化」「功率半導體」「傳感器芯片」等話題被一再提及,背後的事實都讓人黯然:我們曾在一窮二白的條件下造出原子彈,但在GDP總量近100萬億美元的今天,中國還是難以獨立造「芯」。在種種困難中,光刻技術直接卡住了芯片製造的「脖子」。

要解決這一問題,技術攻關當然是必不可少的。另外,借力國外成熟產品或可幫助芯片製造商實現突破。2018年,芯片公司中芯國際花費約1.2億美元,向阿斯麥訂購了一台EUV光刻機。由於種種原因,目前,這台光刻機還未成功交付。我們期待它能夠盡快落地中國,助力的芯片事業再上一個台階。中國有市場、有人才,也不缺恆心與毅力,相信光刻機事業會有光明的未來。

來源:cnBeta