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1、芯片领域光刻机深度分析报告在芯片领域，有一样叫光刻机的设备，不是印钞机，但却比 印钞机还金贵。历数全球，也只有荷兰一家叫做阿斯麦(ASML)的公司集全 球高端制造业之大成，一年时间造的出二十台高端设备，台积电 与三星每年为此抢破了头，中芯国际足足等了三年，也没能将中 国的首台EUV光刻机迎娶进门。但其实，早在上世纪80年代，阿斯麦还只是飞利浦旗下的 一家合资小公司。全司上下算上老板31位员工，只能挤在飞利 浦总部旁临时搭起的板房里办公。一出门就能看到板房旁边一只 巨大的垃圾桶。出门销售，也只能顶着母公司的名义，在对手的 映衬下，显得弱小、可怜，又无助。不过说起来，作为半导体行业”皇冠上的明珠”
2、，光刻机的本 质其实与投影仪+照相机差不多，以光为刀，将设计好的电路图 投射到硅片之上。在那个芯片制程还停留在几十纳米的时代，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。短短四年，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。手里几家大客户英特尔、IBM、 AMD、德州仪器，每天排队堵在尼康门口等待最新产品下线的热情，与我们如今眼巴巴等着阿斯麦EUV光刻机交货的迫切并无二 致。但谁也不曾想，二十年不到，风光对调，作为美国忠实盟友 的阿斯麦一跃翻身，执掌起代工厂的生杀大权，更成为大国博弈
3、之间的关键杀招。”如果我们交不出EUV,摩尔定律就会从此停 止”，阿斯麦如是说。但这真的只是一个盛产风车、郁金香国家，凭借一个三十多 人的创始团队，所诞生的一个制造业奇迹，半导体明珠吗？其实，从那台等了整整三年还未曾交付的EUV背后，我们不 难看出背后真正的赢家。灰姑娘翻身做王后背后，绵延十多年的，是封锁与反抗，也 是复仇与合作。从市场角度出发，作为上世纪九十年代最大的光刻机巨头, 尼康的衰落，始于那一回157nm光源干刻法与193nm光源湿刻法 的技术之争。背后起主导作用的，是由英特尔创始人之一戈登摩尔 (Gordon Moore)提出的的一个叫做摩尔定律的产业规范：集成电 路上可容纳的元器
4、件的数量每隔18至24个月就会增加一倍(相 应的芯片制程也会不断缩小)。而每一次制程前进，也会带来一 次芯片性能性能的飞跃。这是对芯片设计的要求，但同时也在要求光刻机的必须领先设计环节一步，交付出相应规格的设备来。几十纳米时代的光刻机，门槛其实并不高，三十多人的阿斯 麦能轻易入局这个行业，连设计芯片的英特尔也可以自己做出几 台尝尝鲜，难度左右不过是把买回来的高价零件拼拼凑凑，堆出 一台难度比起照相机高深些许的设备。尼康与他们不同的是，对手靠的是产业链一起发力，而尼康 的零件技术全部自己搞定，就像如今的苹果，芯片、操作系统大 包大揽，随便拿出几块镜片，虽不见得能吊打蔡司，但应付但是 的芯片制程却
5、是绰绰有余的。但造芯也好，造光刻机也好，关卡等级其实是指数级别增加 的，上世纪90年代，光刻机的光源波长被卡死在193nm,成为 了摆在全产业面前的一道难关。雕刻东西，花样要精细，刀尖就得锋利，但是要如何把193nm 的光波再磨细呢？大半个半导体业界都参与进来，分两队人马 跃跃欲试：尼康等公司主张用在前代技术的基础上，采用157nm的F2 激光，走稳健道路。新生的EUVLLC联盟则押注更激进的极紫外技术，用仅有十 几纳米的极紫外光，刻十纳米以下的芯片制程。但技术都已经走到这地步，不管哪一种方法，做起来其实都不容易。这时候台积电一个叫做林本坚的鬼才工程师出现了：降低光的波长，光源出发是根本方法，
6、但高中学生都知道,水会降低光的波长一一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!林本聪拿着这项“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。甚至有某公司高 层给台积电C00蒋尚义捎了句狠话，让林本坚不要搅局。1毕竟这只是理想情况，在精密的机器中加水构建浸润环境， 既要考虑实际性能，又要操心污染。如果为了这一条短期替代方 案，耽误了光源研究，吃力不讨好只是其次，被对手反超可就不 好看了。于是，尼康选择了在157nm上一条道走到黑，却没意识到背 后有位虎视眈眈的搅局者。当时尚是小角色
7、的阿斯麦决定赌一把，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。尼康晚了半步，很快也就亮出了干式微影157nm技术的成品, 但毕竟被阿斯麦抢了头阵，更何况波长还略落后于对手。等到一 年后又完成了对浸润式技术的追赶，客户却已经不承认“老情人”, 毕竟光刻机又不是小朋友玩具，更替要钱，学习更要成本。但这一切还只是个开始。两千年初踏错了干刻湿刻的选择之前，其实早于1997年， 在美国政府一手干预下，尼康被EUVLLC排挤在外时，就已经注 定了如今光刻机市场一家
8、独大的结局。前面提到，当年为了尝试突破193nm,英特尔更倾向于激进 的EUV方案，于是早在1997年，就攒起了 一个叫EUV LLC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
9、在80年代就被尼康打得七零八落，根 本烂泥扶不上墙。于是，英特尔想拉来尼康和阿斯麦一起入伙。 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。偏偏，美国政府又将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。别说是对小 国日本与荷兰，就算是美国，想要一己之力自主突破这项技术， 也是痴人说梦。美国自然不会给日本投诚然后扼住美国半导体咽喉的机
10、会。 在一份提交给国会的报告之中，专家明确指出尼康可能会将技 术转移回日本，从而彻底消灭美国光刻机产业二2日本是敌人，但荷兰还是有改造成“美利坚好同志”的机会的。为了表现诚意，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3但不管怎么说，美国能源部还是和阿斯麦达成了协议，允许 其加入EUV LLC,共同参与开发，共享研究成果。6年时间里，EUV LLC的研发人员发表了数百篇论文，大幅推进了 EUV技术的研究进展，割地求和的阿斯麦虽然只
11、是其中的 小角色，但也有机会分得一杯羹。分享技术只是一方面，收购走后门其实也是美国送给阿斯麦 的一份大礼。2009年，美国的Cymer公司研发出EUV所需的大 功率光源，成为阿斯麦的供应商，更在四年后以25亿美元高价 直接被并购。别忘了，这可是光刻机的核心零件，这样顶尖的技 术，全球范围也不超过三家。毫不夸张的说，阿斯麦虽然是一家荷兰企业，但崛起的背后, 其实是一场地地道道的美国式成功。错失EUV关上了尼康光刻机的大门，而盟友的背叛则彻底焊 死了尼康想要突围的出路。说实话，当年的英特尔为了防止核心设备供应商一家独大, 还是其实挺想带着尼康一起玩的。32nm工艺制程时甚至独家采用尼康的光刻机，而
12、之前的 45nm,之后的22nm,也都是尼康和阿斯麦同时供货。就连在2010 年的LithoVision大会上，英特尔还宣布将一直沿用193nm沉浸 式光刻至llnm节点。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。当年，相同制程，阿斯麦宣称每小时可加工175200片晶圆”，而尼康的数据是”每小时200片。但果真如此吗？这背后涉及到了 一个叫做稼动率的制造业 名词。
13、简单理解为一台机器设备实际的生产数量与可能的生产数 量的比值。使用阿斯麦的设备，三星与台积电的稼动率常年维持在95% 上下，一个词语概括，靠谱！但反观尼康，被迫自研，什么零件都能做，但又总是差点意 思。导致同一批次的相同设备，每一台的性能都不尽相同。就像 买了二十台苹果手机，这台只能发微信，那台只能刷视频，剩下 18台还正送检维修。设备虽便宜，但稼动率最多只能达到50%左右，对晶元代工 厂来说，实在不划算。7因此，英特尔新CEO上任后，立刻抛弃了尼康，甚至就连大 陆的芯片代工厂都看不上尼康，生产出的设备，只能卖给三星、 LG、京东方，用来生产面板。这边旧人哭，那边新人笑：2012年，英特尔连同
14、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。站在EUVLLC的肩膀上，背靠美国支持，又有客户送钱，阿 斯麦自此正式成为全村的希望”，在摘取EUV光刻机这颗宝石的 道路上，一路孤独的狂奔。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。而在这台机器价值1. 2亿美元，重达180吨的巨无霸设备背 后，实际上90%的部件均来自外部厂商，美国和欧洲的更是其中 代表。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。