光刻机之战:为什么一台价格可以超过一亿美金?

36氪的朋友们 · 2019-06-25
凭举国之力,我们是不是花十年可以做出先进光刻机来呢?

编者按:本文来自微信公众号“金捷幡”(ID:jin-jiefan),作者 金捷幡。36氪经授权转载。原题目《光刻机之战(续)》

光刻机之战》发表后,得到超过60家科技和财经类公众号转载,全网阅读更是超过百万。“光刻机”这个对大众奇怪又陌生的词,通过贸易战和华为事件被放大了很多倍,让大家知道了中国制造最大的短板是什么。

在知乎上,出现了氢弹和光刻机做哪个更难的热烈讨论。

也有读者问,凭举国之力,我们是不是花十年可以做出先进光刻机来呢?

为什么一台最新的光刻机可以卖到超过一亿美金?

一、

我很有幸得到荷兰作者RenéRaaijmakers的支持,协助翻译一本讲述光刻机霸主ASML(阿斯麦)发展史的书:《ASML's Architects》。

作者René酝酿这本书超过十五年,而写作花了整整七年。

光刻机之战:为什么一台价格可以超过一亿美金?

为什么写此书这么费时间呢?因为没有类似的书可以抄,ASML一直是个低调不爱宣传的公司。

全书翻译成中文约五十万字,和字典一样厚,每个事件都来自于当事人访谈和企业文档。所以95%以上的内容,对中国读者来说都是从没听过的新鲜内容。

René最终给出了问题的答案,那些了不起的人们才是光刻领域的贡献者,我们最应该歌颂的是勇于挑战的科学家和工程师们。

让我感到羞愧的是,我在之前文章中把所有成就都简单归功于公司头上。

接下来聊几个书中小花絮。

二、

飞利浦和ASM合资时还是挺欺负人的。

ASM老板Arthur del Prado出生于当时还是荷兰殖民地的印尼,父亲有犹太血统。二战时十来岁的他被关到印尼的集中营,还好这不是纳粹管理的那种。

早期飞利浦研发半导体的负责人HajoMeyer更是传奇,作为犹太人被从荷兰赶到奥斯维辛集中营,因为德国人需要他维修机械逃过一劫。第二次逃过毒气室是趁苏军到来被赶到河边逃生。他回忆说,那次差点变成化肥或者鞋油。

战后的规矩是难民各回原籍,像铅笔一样瘦的Meyer步行从波兰走回荷兰,然后去上大学学习。

太平洋战争结束后,Del Prado也回了荷兰上大学并后来考取了哈佛商学院。二十六岁时,他到硅谷旅行,见识到刚刚起步的芯片行业,便被深深吸引了。

毕业后,Del Prado带着一小片晶圆和500美元回到荷兰,创建了“先进半导体材料”公司,ASM就是公司的缩写。

三、

一个人有多大的见识,决定了他能做多大的事。

Del Prado的公司很成功,他准确预判了芯片业的伟大前景,并梦想打造欧洲的硅谷,但是傲慢的飞利浦却多年都不理他。Del Prado在报纸上撰文说,他在美国可以很容易约到IBM或HP谈合作,但在家乡却很难约到本土巨头。

直到1983年ASM在纳斯达克上市两年后,飞利浦的一位高管读报时才意识到这家伙还是有点钱可以聊聊的。

虽然Del Prado苦苦追求,但双方合作谈了一年多,飞利浦还是觉得ASM太小玩不了光刻机,并不看好其未来。所以在双方决定合资公司(即ASML)各出210万美元时,飞利浦有点狡猾地把16台还没做好的库存PAS2000光刻机折价180万美元算出资。

Del Prado当时可能不很清楚,这16台PAS2000因为采用油压传动台,配这台机器还需要比机器更大的动力单元而且有震动,很难找到客户买。

PAS2000的光学部件来自巴黎的CERCO,虽然这家公司很强,但是做到大规模集成电路精度就不行了。而当时ASML还没找蔡司合作,蔡司根本就看不上这个小生意。

四、

ASML是1984年愚人节成立的,和联想同岁。

那时正是日本半导体如日中天的时代。NEC和东芝那时的江湖地位就像今天的英特尔和三星。日本生产的DRAM良率远远高于美国,逼得两年后英特尔壮士断腕。

日本半导体的成功背后,是尼康和佳能两大光学巨头的光刻,以及东京电子、日立、迪恩士、住友、东横等一系列配套厂商的支持。

缺钱缺光学器件的ASML,市场占有率为零的ASML,拿什么去竞争呢?

首任ASML的CEO Gjalt Smit到美国开展会时向应用材料的CEO Jim Morgan请教。应用材料公司当时规模还不大,是ASM的晶圆前后道工艺的直接竞争对手。Smit是托了飞利浦的人介绍,所以Morgan就坦诚发表了意见。

Morgan说,他肯定不会去碰光刻,光刻根本不能说是一道工序,而是要有能力驾驭机器和光。他补充说,半导体厂一般只会从一家买光刻而且要董事会级别才能决定。

一台机器都没卖出去的Smit回国时心情十分沉重(with a heavy heart)。

五、

光刻机的原理非常简单,就是用光把图案投射到硅片上。然而实现上有两个难点,一个是如何让图案尽可能地小,另一个是怎么让生产效率最高。

图案要多小呢?最新技术是一平方毫米(比芝麻还小)里面有一亿个晶体管。

生产效率要多高呢?目前的核心技术是一小时出产近300片300mm晶圆,每片晶圆上千个芯片。ASML的先进光刻机7x24小时工作,全年停机时间不超过3%。

光头一次只能曝光26x33mm橡皮那么大的区域,一块晶圆曝光一遍至少要移动好几百次。你可以想象光刻机台的移动速度有多快。更何况每次移动的定位要精确到几十纳米,就是头发丝的几万分之一。

六、

ASML的前辈们从公司一开始就决定好了主攻方向,那就是“定位精准”和“唯快不破”,这个理念称为后来成功的基石。

让精密动作到令人发指的机器7x24小时稳定工作,是工程学上的巨大挑战。

我们经常看到新闻,说某科研单位实现了多少nm光刻,这时你要理解从实验室刻出两条线到工厂7x24之间是有天堑的。

ASML研发前身飞利浦物理实验室(NATLAB)的特色就是,不在乎成本但是要做到最好。这个伟大的实验室是CD光盘的诞生地,也是NXP(恩智浦)的诞生地。

所以ASML光刻机的设计原则也是,尽量不考虑成本和售价,但是要做到最精密和最可靠。

ASML在90年代中期的老机型PAS5500,现在还在官网翻新出售。这足可见其可靠性之高。

这刚好契合了半导体厂商的需求,投资以数十亿美元计的工厂,最怕的就是停线。设备贵一倍都没关系,只要能不停运转,就可以源源不断地印钱。

作者René也把光刻机称为License to Print Money。

七、

书中介绍日本竞争对手时,给了我一种有趣的联想(不是结论)。

日本半导体衰落的原因,并不像那些阴谋论公众号说的是贸易战。

它和1985年广场协议以及日美半导体协议没有直接关系。因为到了1990年NEC、东芝和日立还是半导体世界前三名,而且营业额都翻番。

1994年ASML的市场份额只有18%,但是设计超前的8英寸PAS5500以及1995年的IPO给ASML插上了翅膀。率先采用这个机器的台积电、三星和现代(后来的Hynix)很快决定几乎全部光刻改用ASML。

而1995年东芝、西门子(后来的英飞凌)和IBM联盟一起开发256Mb Trench DRAM。他们当时考虑到和佳能的合作,开始没选择ASML。

巧合的是,坚持尼康佳能的日系半导体厂商真正开始了长达十年的衰败,而押宝ASML的三大东亚厂商迅速崛起直到今天称霸。

光刻机之战:为什么一台价格可以超过一亿美金?

(神奇的分水岭:PAS-5500, 照片来自ASML官网)

八、

我在国内联系了一些出版社希望出版《ASML's Architects》,但很不幸多数出版社并不认为它有商业价值,即使市面上还没有介绍这间公司的书。

一家著名大学出版社的编辑说,只写一个公司的书销路会很窄,暗示我应该写个故事拼盘。我开玩笑反驳说《腾讯传》不是卖得很好吗?他说,那不一样。

我猜他可能是对的,这种书也许就能卖个几千本,谈不上赚钱。而且现在读者更喜欢快餐读物,更关心结论;尤其希望听到马云等偶像直接告诉我们:人生成功秘诀是什么,韭菜能不能吃,贸易战能不能赢...

虽然如此,如果一本书能够吸引独立思考的年轻人或半导体从业者喜欢他的行业,有热情投身进去学习和钻研,对国家大力支持的集成电路产业还是会有莫大好处的。

你们是希望和未来。

链接:《光刻机之战

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