在晶片領域,有一樣叫光刻機的設備,不是印鈔機,但卻比印鈔機還珍貴。歷數全球,也只有荷蘭一家叫做艾司摩爾(ASML)的公司集全球高階製造業之大成,一年時間造的出二十台高階設備,台積電與三星每年為此搶破了頭。

但其實,早在上世紀80年代,艾司摩爾還只是飛利浦旗下的一家合資小公司。全司上下算上老闆31位員工,只能擠在飛利浦總部旁臨時搭起的板房裡辦公。一出門就能看到板房旁邊一隻巨大的垃圾桶。出門銷售,也只能頂著母公司的名義,在對手的映襯下,顯得弱小、可憐,又無助。

不過說起來,作為半導體行業「皇冠上的明珠」,光刻機的本質其實與投影儀+照相機差不多,以光為刀,將設計好的電路圖投射到矽片之上。在那個晶片製程還停留在幾十奈米的時代,能做光刻機的企業,少說也有數十家,而尼康憑藉著相機時代的積累,在那個日本半導體產業全面崛起的年代,正是當之無愧的巨頭。

短短四年,就將昔日光刻機大國美國拉下馬,與舊王者GCA平起平坐,拿下三成市場市占。手裡幾家大客戶英特爾、IBM、AMD、德州儀器,每天排隊堵在尼康門口等待最新產品下線的熱情,與如今大家眼巴巴等著艾司摩爾EUV光刻機交貨的迫切並無二致。

但誰也不曾想,二十年不到,風光對調,作為美國忠實盟友的艾司摩爾一躍翻身,執掌起代工廠的生殺大權,更成為大國博弈之間的關鍵殺招。「如果我們交不出EUV,摩爾定律就會從此停止」,艾司摩爾如是說。

從市場角度出發,作為上世紀九十年代最大的光刻機巨頭,尼康的衰落,始於那一回157奈米光源乾刻法與193奈米光源濕刻法的技術之爭。

背後起主導作用的,是由英特爾創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出的一個叫做摩爾定律的產業規範:積體電路上可容納的元器件的數量每隔18至24個月就會增加一倍(相應的晶片製程也會不斷縮小)。而每一次製程前進,也會帶來一次晶片性能性能的飛躍。

這是對晶片設計的要求,但同時也在要求光刻機的必須領先設計環節一步,交付出相應規格的設備來。

幾十奈米時代的光刻機,門檻其實並不高,三十多人的艾司摩爾能輕易入局這個行業,連設計晶片的英特爾也可以自己做出幾台嘗嘗鮮,難度左右不過是把買回來的高價零件拼拼湊湊,堆出一台難度比起照相機高深些許的設備。

尼康與他們不同的是,對手靠的是產業鏈一起發力,而尼康的零件技術全部自己搞定,就像如今的蘋果,晶片、操作系統大包大攬,隨便拿出幾塊鏡片,應付晶片製程是綽綽有餘的。

但造晶片也好,造光刻機也好,關卡等級其實是指數級別增加的,上世紀90年代,光刻機的光源波長被卡死在193奈米,成為了擺在全產業面前的一道難關。

雕刻東西,花樣要精細,刀尖就得鋒利,但是要如何把193奈米的光波再「磨」細呢?大半個半導體業界都參與進來,分兩隊人馬躍躍欲試:尼康等公司主張用在前代技術的基礎上,採用157奈米的 F2雷射,走穩健道路。

新生的EUV LLC聯盟則押注更激進的極紫外技術,用僅有十幾奈米的極紫外光,刻十奈米以下的晶片製程。

但技術都已經走到這地步,不管哪一種方法,做起來其實都不容易。

這時候台積電一個叫做林本堅的天才工程師出現了:降低光的波長,光源出發是根本方法,但高中學生都知道,水會降低光的波長——在透鏡和矽片之間加一層水,原有的193奈米激光經過折射,不就直接越過了157奈米的天塹,降低到132奈米了嗎!

林本聰拿著這項「沉浸式光刻」方案,跑遍美國、德國、日本等國,遊說各家半導體巨頭,但都吃了閉門羹。甚至有某公司高層給台積電營運長蔣尚義捎了句狠話,讓林本堅「不要攪局」。

畢竟這只是理想情況,在精密的機器中加水構建浸潤環境,既要考慮實際性能,又要操心污染。如果為了這一條短期替代方案,耽誤了光源研究,吃力不討好只是其次,被對手反超可就不好看了。

當時尚是小角色的艾司摩爾決定賭一把,相比之前在傳統乾式微影上的投入,押注浸潤式技術更有可能以小搏大。於是和林本堅一拍即合,僅用一年時間,就在2004年就拚全力趕出了第一台樣機,並先後奪下IBM和台積電等大客戶的訂單。

尼康晚了半步,很快也就亮出了乾式微影157奈米技術的成品,但畢竟被艾司摩爾搶了頭陣,更何況波長還略落後於對手。等到一年後又完成了對浸潤式技術的追趕,但已經落後就難再追了

兩千年初踏錯了乾刻濕刻的選擇之前,其實早於1997年,在尼康被EUV LLC排擠在外時,就已經注定了如今光刻機市場一家獨大的結局。

當年為了嘗試突破193奈米,英特爾更傾向於激進的EUV方案,於是早在1997年,就攢起了一個叫EUV LLC的聯盟。聯盟中的名字個個如雷貫耳:除了英特爾和牽頭的美國能源部以外,還有摩托羅拉、AMD、IBM,以及能源部下屬三大國家實驗室:勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室和勞倫斯伯克利實驗室。

資金到位,技術入場,人才雲集,但偏偏聯盟中的美國光刻機企業SVG、Ultratech早在80年代就被打得七零八落。於是,英特爾想拉來尼康和艾司摩爾一起入伙。但問題在於,這兩家公司,一個來自日本,一個來自荷蘭,都不是本土企業。

偏偏,美國政府又將EUV技術視為推動本國半導體產業發展的核心技術,並不太希望外國企業參與其中。

但EUV光刻機又幾乎逼近物理學、材料學以及精密製造的極限。光源功率要求極高,透鏡和反射鏡系統也極致精密,還需要真空環境,配套的抗蝕劑和防護膜的良品率也不高。別說是對小國日本與荷蘭,就算是美國,想要一己之力自主突破這項技術,也是癡人說夢。

為了表現誠意,艾司摩爾同意在美國建立一所工廠和一個研發中心,以此滿足所有美國本土的產能需求。另外,還保證55%的零部件均從美國供應商處採購,並接受定期審查。

美國能源部最後和艾司摩爾達成了協議,允許其加入EUV LLC,共同參與開發,共享研究成果。6年時間裡,EUV LLC的研發人員發表了數百篇論文,大幅推進了EUV技術的研究進展。

分享技術只是一方面,其後美國還送給艾司摩爾一份大禮。2009年,美國的Cymer公司研發出EUV所需的大功率光源,成為艾司摩爾的供應商,更在四年後以25億美元高價直接被併購。這可是光刻機的核心零件,這樣頂尖的技術,全球範圍也不超過三家。

毫不誇張的說,艾司摩爾雖然是一家荷蘭企業,但崛起的背後,其實是一場地地道道的美國式成功。

2012年,英特爾連同三星和台積電,三家企業共計投資52.29億歐元,先後入股艾司摩爾,以此獲得優先供貨權,結成緊密的利益共同體。

終於,在2015年,第一台可量產的EUV樣機正式發佈。當年只要能搶先拿到機器開工,就相當於直接開動了印鈔產線,EUV光刻機也成為目前的主流製程技術。

文章來源:禁聞網

(中時新聞網)

#英特爾 #積電 #三星 #EUV #光刻機