芯片破壁者(九):荷蘭半導(dǎo)體明珠ASML是如何煉成的?

原標(biāo)題:芯片破壁者(九):荷蘭半導(dǎo)體明珠ASML是如何煉成的?

在《光刻技術(shù)的“鬼斧”之變》中,我們已經(jīng)粗略地回顧了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展史。在上世紀(jì)殘酷的光刻機(jī)淘汰賽中,1984年最后登上光刻機(jī)舞臺(tái)的荷蘭光刻機(jī)公司ASML(全稱Advanced Semiconductor Material Lithography,先進(jìn)半導(dǎo)體材料光刻公司),成為最后的勝利者。

直到今天,ASML仍然是光刻機(jī)企業(yè)當(dāng)中的翹楚,而且是世界上唯一能夠生產(chǎn)最先進(jìn)EUV光刻機(jī)的制造商。這個(gè)被譽(yù)為半導(dǎo)體皇冠上明珠的ASML,對(duì)于芯片制造產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)到底有多重要呢?用ASML總裁彼得·溫寧克在2017年接受《天下》雜志專訪時(shí)說(shuō)的一句話就是:

“如果我們交不出EUV,摩爾定律就會(huì)從此停止?!?/p>

目前,摩爾定律的極限已實(shí)現(xiàn)5nm制程,接近3nm、2nm制程工藝,想要實(shí)現(xiàn)這一制程節(jié)點(diǎn),就一定要用到荷蘭ASML的EUV光刻機(jī)。

2019年,ASML一共銷售了229臺(tái)光刻機(jī),其中EUV售出26臺(tái)。即使每一臺(tái)的售價(jià)高達(dá)1.2億美元,卻依然是全球頂尖芯片制造商爭(zhēng)先訂購(gòu)的搶手貨。所以,這26臺(tái)EUV光刻機(jī)的營(yíng)收已經(jīng)占到ASML全部營(yíng)收的三分之一,預(yù)計(jì)隨著芯片制造商的換代升級(jí),2025年將增長(zhǎng)到四分之三。

ASML如何從飛利浦的一家不起眼的合資公司,成長(zhǎng)為可以左右全球芯片產(chǎn)業(yè)格局的光刻機(jī)巨擘?到底是什么原因使得身處歐洲小國(guó)荷蘭的ASML取得如此巨大的成功,成為我們值得去回顧和學(xué)習(xí)的重要經(jīng)驗(yàn)。

兩次關(guān)鍵選擇,后進(jìn)生ASML的艱難上位

如果了解光刻技術(shù)的發(fā)展史,你就會(huì)知道光刻技術(shù)的原理并不復(fù)雜,還在微米制程時(shí)代的芯片產(chǎn)業(yè)對(duì)于光刻機(jī)的要求并不高。七十年代那個(gè)時(shí)候,就連英特爾也能買來(lái)各種零件,自己組裝光刻機(jī)。

不過(guò),光刻機(jī)的專業(yè)化很快成為主流趨勢(shì)。

(尼康1980年推出的光刻機(jī)NSR-1010G)

在八十年代初,占據(jù)光刻機(jī)主要市場(chǎng)的還是美國(guó)的GCA、日本的尼康。1980年,尼康推出了商用的步進(jìn)式光刻機(jī)Stepper,隨后逐漸取代GCA,成為80年代光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的翹楚。

1984年,ASML由荷蘭飛利浦公司與一家荷蘭芯片設(shè)備代理商 ASMI合資成立,此后就一直專注從事光刻機(jī)設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。

ASML雖然有飛利浦的背景,但并沒(méi)有含著金鑰匙出生。成立之初,ASML只有31名員工,辦公地點(diǎn)也僅是飛利浦總部外面空地上的一排簡(jiǎn)易廠房,這些至今被人們當(dāng)做ASML傳奇的開(kāi)篇而津津樂(lè)道。當(dāng)時(shí),ASML面臨自身技術(shù)落后、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、資金不足等諸多難題。

不過(guò),ASML一開(kāi)始就本著“初生牛犢不怕虎”的勁頭,成立第一年就克服種種技術(shù)困難,推出了第一代的步進(jìn)式掃描光刻機(jī)PAS2000,獲得了市場(chǎng)初步認(rèn)可,也讓ASML得以生存下去。

(ASML步進(jìn)式光刻機(jī)PAS 2500)

在20世紀(jì)90年代,ASML憑借持續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)和出色的銷售能力,終于在光刻機(jī)市場(chǎng)站穩(wěn)了腳跟。直到1995年,ASML在美國(guó)的納斯達(dá)克和荷蘭阿姆斯特丹交易所同時(shí)成功上市,并且從飛利浦回購(gòu)全部的股份,實(shí)現(xiàn)了完全獨(dú)立,也獲得了充裕的資金讓公司加速發(fā)展。

十年生長(zhǎng),十年蓄力。冉冉升起的ASML終于有了挑戰(zhàn)強(qiáng)勁對(duì)手尼康的機(jī)會(huì)。此時(shí),一次有關(guān)光刻技術(shù)路線的選擇,成為決定ASML和尼康此后成敗的關(guān)鍵點(diǎn)。

90年代末,受制于干式微影技術(shù)的限制,摩爾定律的延續(xù)被卡在光刻機(jī)的193納米的光源波長(zhǎng)上面。尼康選擇走穩(wěn)健路線,繼續(xù)自己在干式微影技術(shù)的優(yōu)勢(shì),繼續(xù)開(kāi)發(fā)157納米的F2激光光源。

(臺(tái)積電工程師林本堅(jiān))

而當(dāng)時(shí)處于落后位置的ASML則決定賭一把,采用了一種被稱作“浸潤(rùn)式光刻”的技術(shù)方案。這一方案由在臺(tái)積電的工程師林本堅(jiān)在2002年提出,他在拿著這項(xiàng)“浸潤(rùn)式光刻”技術(shù)方案,幾乎游說(shuō)了全球所有光刻機(jī)廠商之后,最終只打動(dòng)了后進(jìn)生ASML。

2004年,經(jīng)過(guò)雙方一年的通力合作之后,ASML全力趕出了第一臺(tái)浸潤(rùn)式光刻機(jī)樣機(jī),并先后拿下IBM和臺(tái)積電等大客戶的訂單。雖然尼康很快推出了干式微影157納米的產(chǎn)品,但和已經(jīng)實(shí)現(xiàn)132納米波長(zhǎng)技術(shù)的ASML相比,已然落后一程。

2007年,ASML拿到60%的光刻機(jī)市場(chǎng)份額,首次超過(guò)尼康。而下一次,ASML在EUV光刻技術(shù)的突破,則將尼康遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在后面,再無(wú)還手之力。

這次機(jī)會(huì)還得從1997年英特爾和美國(guó)能源部牽頭成立的EUV LLC聯(lián)盟說(shuō)起。當(dāng)時(shí),同樣為攻克193納米光源的限制,英特爾寄希望在更為激進(jìn)的EUV光源上。

由于這項(xiàng)技術(shù)的研究難度極高,英特爾聯(lián)合美國(guó)能源部及其下屬三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室:勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室,還有摩托羅拉、AMD、IBM等科技公司一同來(lái)研究EUV光刻技術(shù)。

(極紫外光刻機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu))

EUV LLC聯(lián)盟還需要從尼康和AMSL這兩家當(dāng)時(shí)發(fā)展最好的光刻機(jī)企業(yè)中,挑選一家加入聯(lián)盟。經(jīng)過(guò)一番博弈,美國(guó)最終選中了后進(jìn)生ASML加入EUV聯(lián)盟。

ASML由此獲得了美國(guó)最領(lǐng)先的半導(dǎo)體技術(shù)、材料學(xué)、光學(xué)以及精密制造等相關(guān)技術(shù)的優(yōu)先使用的資格,同時(shí)ASML也將自己的生產(chǎn)、接受監(jiān)管的權(quán)限交給了美國(guó)政府。

2003年EUV LLC聯(lián)盟解散時(shí),其使命已經(jīng)完成。6年時(shí)間里,EUV LLC的研發(fā)人員發(fā)表了數(shù)百篇論文,大幅推進(jìn)了EUV技術(shù)的研究進(jìn)展,證明了EUV光刻技術(shù)的可行。這些成果讓聯(lián)盟成員的ASML占得先機(jī)。

但是研制出一臺(tái)真正的EUV光刻機(jī)則并不容易,最終能否研制成果也還存在著巨大的不確定性。從2005年到2010年,ASML花費(fèi)5年時(shí)間,跨越了資金、技術(shù)等諸多難題,才終于生產(chǎn)出第一臺(tái)型號(hào)為NXE3100的EUV光刻機(jī),并交付給臺(tái)積電投入使用。

(ASML最新EUV光刻機(jī)TWINSCAN NXE3400C)

接下來(lái),整個(gè)高端光刻機(jī)領(lǐng)域就成了ASML的獨(dú)角戲。此后幾年經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)并購(gòu)和升級(jí),ASML又在2016年推出首臺(tái)可量產(chǎn)的最先進(jìn)EUV光刻機(jī)NXE3400B并獲得訂單,從2017年第二季度起開(kāi)始出貨,售價(jià)約為每臺(tái)1.2億美元,成為臺(tái)積電、三星、英特爾等排隊(duì)搶購(gòu)的爆款設(shè)備。

從1997年到2010年,ASML歷經(jīng)13年時(shí)間,終于成為了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的“頭號(hào)玩家”。2010年至今,ASML更是所向披靡,牢牢占據(jù)高端EUV市場(chǎng)的技術(shù)高地,至今再無(wú)對(duì)手。

創(chuàng)新視野和變革勇氣,ASML后發(fā)制人的根底

從ASML數(shù)次關(guān)鍵選擇中,我們既能看到外在機(jī)遇的青睞,也能看到其自身所具有的特質(zhì)。正是ASML從無(wú)到有,從弱到強(qiáng)的發(fā)展過(guò)程中,保持了靈活性、創(chuàng)新性以及敏銳的戰(zhàn)略眼光與勇敢投入,才使其能夠在勁敵環(huán)伺的光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中生存壯大。

今天來(lái)看,ASML的發(fā)展過(guò)程可以分為三個(gè)階段:1894年誕生到1995年上市的生存發(fā)展期,1995年到2007年的逆襲趕超期,2007年至今的領(lǐng)先稱霸期。

在第一個(gè)階段,缺錢一直是ASML發(fā)展的瓶頸。1988年,ASML進(jìn)軍臺(tái)灣市場(chǎng)時(shí),曾經(jīng)因?yàn)閮晌焕蠔|家的撤資一度瀕臨破產(chǎn)。幸好后來(lái)時(shí)任CEO的Smit向飛利浦董事會(huì)“化緣”了1億美元,才幸運(yùn)度過(guò)了難關(guān)??恐@筆救命錢,ASML在臺(tái)灣市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。隨后幾年ASML步進(jìn)式掃描光刻機(jī)的熱銷扭虧為盈,度過(guò)了艱苦創(chuàng)業(yè)的十年歲月。

在第二個(gè)階段,上市之后的ASML一定程度解決了資金困境,而兩次關(guān)鍵的選擇,則幫助其完成了對(duì)尼康的逆襲。

在加入美國(guó)能源部主導(dǎo)的EUV LLC聯(lián)盟的過(guò)程中,除了英特爾的從中牽線以及美國(guó)政府對(duì)于日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的忌憚和對(duì)尼康的不信任這些外在因素,ASML的積極斡旋和主動(dòng)示好,才是其能進(jìn)入美國(guó)核心技術(shù)領(lǐng)地的關(guān)鍵。

ASML當(dāng)時(shí)做了兩件事情,一是愿意出資在美國(guó)建廠和研究中心,二是保證55%的原材料都從美國(guó)采購(gòu),相當(dāng)于無(wú)條件“投誠(chéng)”美國(guó),終于換來(lái)美國(guó)政府的信任。

當(dāng)然,ASML所在的國(guó)家荷蘭,因?yàn)楸旧淼牡鼐壩恢煤蛧?guó)家實(shí)力,使得美國(guó)政府不用過(guò)于擔(dān)心核心技術(shù)被ASML掌握而無(wú)法控制的局面。而ASML的全球化的戰(zhàn)略視野以及靈活性的合作政策,也是其能獲得美國(guó)信任的關(guān)鍵。

而在浸潤(rùn)式光刻技術(shù)路線的選擇上,則更能看出作為后進(jìn)生的ASML的靈活、務(wù)實(shí)和敢于嘗鮮的勇氣,明智地選擇了浸潤(rùn)式光刻技術(shù),反而是過(guò)于強(qiáng)調(diào)自主研發(fā)的尼康,敗在了路徑依賴的大企業(yè)的窠臼當(dāng)中。

第三階段,由于在加入EUV LLC聯(lián)盟后獲得了EUV技術(shù)的研究成果,取得市場(chǎng)領(lǐng)先的ASML又全力投入到EUV光刻機(jī)的研發(fā)上面,成為引領(lǐng)光刻機(jī)發(fā)展方向的那只“頭雁”。

為突破技術(shù)難題,ASML又聯(lián)合了3所大學(xué)、10個(gè)研究所、15家公司,開(kāi)展“More Moore”項(xiàng)目,著力進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)。

為解決資金困境,ASML在2012年提出一項(xiàng)“客戶聯(lián)合投資計(jì)劃”(CCIP),也就是ASML的客戶可以通過(guò)注資,成為股東并擁有優(yōu)先訂貨權(quán)。這一計(jì)劃立刻得到芯片制造行業(yè)的三巨頭英特爾、臺(tái)積電和三星的響應(yīng),一共投入數(shù)十億歐元支持EUV光刻機(jī)的研發(fā)。

這一舉措無(wú)疑實(shí)現(xiàn)了雙贏的局面。ASML將研發(fā)資金的壓力轉(zhuǎn)移了出去,讓頭部客戶為EUV光刻技術(shù)研發(fā)買單;同時(shí)又確保了客戶對(duì)先進(jìn)光刻技術(shù)的優(yōu)先使用權(quán)和股權(quán)收益。至此ASML與其大客戶形成了一個(gè)利益共同體,共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn),共享回報(bào),維持了EUV光科技術(shù)的穩(wěn)步迭代。

(賽迪智庫(kù)整理:ASML上下游產(chǎn)業(yè)鏈)

ASML的成功,還離不開(kāi)一直以來(lái)對(duì)于上游產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)投資并購(gòu),來(lái)構(gòu)建完整的上游供應(yīng)鏈,以攫取技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

2001年收購(gòu)美國(guó)光刻機(jī)巨頭硅谷集團(tuán)(SVGL),獲得當(dāng)時(shí)新一代157nm激光所需的反折射鏡頭技術(shù),推動(dòng)了市場(chǎng)份額快速提升。2007年,其收購(gòu)美國(guó)Brion公司,又奠定其光刻機(jī)產(chǎn)品整體戰(zhàn)略的基石。

在CCIP計(jì)劃之后,ASML又收購(gòu)了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器廠商Cymer,獲得了EUV最需要的先進(jìn)光源技術(shù);此后又收購(gòu)了電子束檢測(cè)設(shè)備商HMI,以及入股了光學(xué)鏡頭領(lǐng)頭的卡爾蔡司。由此ASML構(gòu)建起完整的上游供應(yīng)鏈,獲得了布局EUV光刻機(jī)的領(lǐng)先技術(shù)。

此外,就是ASML在研發(fā)上面不惜重金投入,并且依托自身資源和技術(shù)積累,與眾多研究機(jī)構(gòu)、學(xué)校和外部技術(shù)合作伙伴一起,建立了一個(gè)巨大的開(kāi)放式研究機(jī)構(gòu),共享全球前沿技術(shù)知識(shí)和能力。

在研究合作上面,ASML與卡爾蔡司、Cadence建立長(zhǎng)期合作,與世界著名研究創(chuàng)新中心IMEC展開(kāi)EUV光科技術(shù)的合作。

在研發(fā)投入上面,ASML近五年的研發(fā)投入都保持在營(yíng)收的13%-20%之間,其中,2019年度,阿斯麥投入了20億歐元用于技術(shù)研發(fā),占到凈銷售額(118.2億歐元)的16.9%。

正是在ASML不斷地研發(fā)投入、積極向外尋求資金、研發(fā)技術(shù)支持,并且?guī)?dòng)下游客戶共同投資參與,才最終推動(dòng)了EUV技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程,成為全球唯一一家能夠設(shè)計(jì)和制造EUV光刻機(jī)設(shè)備的獨(dú)家壟斷者。

光刻機(jī)的“窄道”,ASML的成功難以復(fù)制?

光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天EUV時(shí)代,已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)全球化高度分工、前沿技術(shù)高度聚集、資本高度密集,甚至政治化高度博弈的局勢(shì)。

首先,ASML早期的成功得益于荷蘭半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)力和產(chǎn)業(yè)開(kāi)拓者前瞻性視野的支持。ASML的技術(shù)基礎(chǔ)來(lái)源于飛利浦的光刻設(shè)備研發(fā)部門,從1971年起飛利浦就開(kāi)始了透鏡式非接觸光刻設(shè)備的研發(fā)。ASML能成立的另一原因,就是另外一個(gè)投資公司ASMI的傳奇創(chuàng)始人,也是荷蘭半導(dǎo)體設(shè)備開(kāi)創(chuàng)者的Arthur Pardo。

(ASMI傳奇創(chuàng)始人Arthur del Prado)

極富戰(zhàn)略眼光的Parodo和從威廉·肖克利實(shí)驗(yàn)室里離開(kāi)創(chuàng)業(yè)的Dean Knapic相識(shí),獲得了在歐洲開(kāi)拓半導(dǎo)體市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。連同先進(jìn)的硅晶體制造工藝帶回來(lái)的,還有就是硅谷的創(chuàng)業(yè)精神。

(威廉·肖克利和Dean Knapic<右一>在Shockley半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室工作)

當(dāng)時(shí),由于成本高昂,技術(shù)問(wèn)題等原因,飛利浦計(jì)劃要關(guān)停光刻設(shè)備研發(fā)小組。正是在Arthur Rrado的堅(jiān)持游說(shuō)下,飛利浦才同意與ASMI成立合資公司,ASML才得以誕生。

其次,光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)就是一個(gè)天然趨向壟斷性的產(chǎn)業(yè)。由于高端光刻機(jī)的研發(fā)投入巨大、技術(shù)難度極高,而需求市場(chǎng)又僅限于為數(shù)不多的芯片制造企業(yè)。一旦某家企業(yè)提前實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和穩(wěn)定量產(chǎn),就會(huì)產(chǎn)生“贏家通吃”的局面,拿到下游芯片廠商的絕大多數(shù)訂單,而落后者幾乎再無(wú)能力實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

第三,ASML的壟斷也有著商業(yè)上的現(xiàn)實(shí)原因。事實(shí)上,主要半導(dǎo)體企業(yè)英特爾、IBM、三星等也曾想嘗試扶持一家硅谷光刻機(jī)廠商來(lái)制約ASML,但最終以慘敗收?qǐng)?。技術(shù)壁壘和有限的市場(chǎng)需求,決定了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)只需要一個(gè)高端光刻機(jī)供應(yīng)商即可。如果同時(shí)并存兩家或多家高端光刻機(jī)供應(yīng)商,只會(huì)因?yàn)榧ち业膬r(jià)格競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致兩敗俱傷,延緩整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的升級(jí)速度。

另外,ASML已經(jīng)與上下游產(chǎn)業(yè)鏈,形成了穩(wěn)定的利益共同體。特別是CCIP計(jì)劃的提出,以接受股東注資的方式引入英特爾、三星、臺(tái)積電等全球半導(dǎo)體巨頭作為戰(zhàn)略合作方,并給予股東優(yōu)先供貨權(quán),從而結(jié)成緊密的利益共同體,在共享股東先進(jìn)科技的同時(shí)降低自身的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。這種利益共享,風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)的方式更加鞏固了ASML無(wú)可替代的壟斷地位。

最后,ASML的長(zhǎng)期發(fā)展,還得益于荷蘭自身的外向型經(jīng)濟(jì)的區(qū)位優(yōu)勢(shì),涵蓋能源、機(jī)械制造、電子、船舶等發(fā)達(dá)工業(yè)體系,以及重視科研、教育和技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)條件。這些帶給ASML優(yōu)渥的技術(shù)設(shè)備優(yōu)勢(shì)、人才優(yōu)勢(shì)和開(kāi)放性的外貿(mào)環(huán)境優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然,除了自身優(yōu)勢(shì)之外,ASML的成功自然離不開(kāi)整個(gè)西方半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的扶持,美國(guó)政府和投資機(jī)構(gòu)在其中扮演著至關(guān)重要的角色。在美國(guó)主導(dǎo)的《瓦森納協(xié)議》體系和美國(guó)投資機(jī)構(gòu)、核心技術(shù)研發(fā)等方面的制約下,ASML嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是一家同時(shí)受美國(guó)扶持和默許其“壟斷地位”的企業(yè)。

所以,ASML的成功,本質(zhì)上既是一場(chǎng)荷蘭半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新突圍的結(jié)果,完成一次從小到大,從弱到強(qiáng)的蝶變過(guò)程;又是ASML享受全球科技高度分工的結(jié)果,成為全球如此復(fù)雜的光刻技術(shù)鏈的整合者角色;同時(shí)也源于以美國(guó)為首的科技霸權(quán)的一次“合謀”的結(jié)果,ASML以其開(kāi)放、合作的運(yùn)營(yíng)機(jī)制,充當(dāng)其半導(dǎo)體上游高端設(shè)備鏈供應(yīng)者的角色。

因此,ASML能夠成就今天的光刻機(jī)霸主地位集合了復(fù)雜的商業(yè)、技術(shù)、政治的因素。ASML的成功,對(duì)于我國(guó)的光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō),也就既有借鑒意義,也有難以復(fù)制的關(guān)鍵因素。而具體有何可以學(xué)習(xí)之處,我們留待未來(lái)再討論。

極客網(wǎng)企業(yè)會(huì)員

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2020-08-01
芯片破壁者(九):荷蘭半導(dǎo)體明珠ASML是如何煉成的?
這一方案由在臺(tái)積電的工程師林本堅(jiān)在2002年提出,他在拿著這項(xiàng)“浸潤(rùn)式光刻”技術(shù)方案,幾乎游說(shuō)了全球所有光刻機(jī)廠商之后,最終只打動(dòng)了后進(jìn)生ASML。

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