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ASML是如何成为全球第一的光刻机制造商的？( 二 )

ASML是如何成为全球第一的光刻机制造商的？
半导体设备在尼康的收入中仍占38% （图片来源：互联网）早在几年前 ， 飞利浦实验室研发出自动化步进式光刻机(Stepper)的原型 ， 但对它的商业价值心里直敲小鼓 ， 找P&E、GCA、Cobilt、IBM这些半导体界的大佬谈合作 ， 没人愿意搭理 。 这时 ， 荷兰一家叫ASM International的小公司主动要求合作 。 飞利浦犹豫了一年 ， 勉强同意成立股权对半的合资公司 ， 这就是阿斯麦 。飞利浦之所以愿意放低身价和一家名不见经传的小公司合作 ， 原因有两个：一方面是飞利浦当时正和索尼主推更赚钱的CD ， 1984年CD的销量达到1300万张 ， 是上一年的两倍多 ， 正渐渐散发出印钞机的气质 ， 比小众的光刻机更有投资价值；另一方面 ， 尼康在光刻机市场攻城掠地 ， 老牌半导体设备厂商节节败退 ， 雪上加霜的是 ， 飞利浦当时正打算开始大规模裁员 ， 糟糕的经济状况和恶劣的光刻机市场环境 ， 使它不敢大手笔押注光刻机 ， 因此与ASM International合作 ， 不过是想占个坑观望而已 。阿斯麦成立后 ， 地位类似童养媳 ， 飞利浦没有拨付经费 ， 甚至不提供办公室 ， 31个员工就在飞利浦大厦外的简易木棚房办公 。 多年以后 ， 阿斯麦的CEO彼得.韦尼克（Peter Wennink）回忆公司初创时的境况 ， 还忍不住说“穷困” 。 一句话：既没钱 ， 又受对手压制 。ASML是如何成为全球第一的光刻机制造商的？
阿斯麦初创时的办公地简易木棚房/ASML （图片来源：互联网）在2000年之前的整个16年时间里 ， 光刻机市场差不多都是尼康的后花园 ， 阿斯麦占据的份额不超过10% 。直到一个叫林本坚的华人出现 。2、林本坚宣判“干式”微影技术死刑1959年 ， 成立半年的仙童半导体公司赫尔尼发明了制造扩散型晶体管的“平面处理工艺” ， 使晶体管制造像印刷书籍一样高效 。 这一工艺的流程之一 ， 是把带有电路图的透光片正确投射到硅片上 。 “平面处理工艺”诞生之后成为集成电路的标准工艺 ， 一直沿用至今 ， 其最初采用的“干式”（以空气为介质）微影技术也沿用到上世纪90年代（镜头、光源等一直在改进） ， 然后遇到瓶颈：始终无法将光刻光源的193nm波长缩短到157nm 。当时 ， 为缩短光波长度 ， 大量科学家和几乎整个半导体业界都被卷进来 ， 砸进数以十亿计的美金 ， 以及大量人力 ， 提出了多种方案 。但这些方案 ， 要么需要增大投资成本 ， 要么太过超前 ， 以当时的技术难以实现（比如极紫外（EUV）光刻,后文会讲到） 。当大家排队往157nm的“墙”上撞时 ， 时任台积电研发副总经理的林本坚来了个脑筋急转弯：既然157nm难以突破 ， 为什么不退回到技术成熟的193nm ， 把透镜和硅片之间的介质从空气换成水 ， 由于水的折射率大约为1.4 ， 那么波长可缩短为193/1.4=132nm ， 大大超过攻而不克的157nm 。ASML是如何成为全球第一的光刻机制造商的？
两种光刻技术比较 （图片来源：互联网）这个方案被称做“浸入式光刻技术” ， 优势非常明显：由于是利用现有成熟技术改造 ， 资金投入小 ， 可以给半导体设备制造商节省研发投入 ， 并减小芯片制造商的导入成本；如果把介质从水换成其它高折射率液体 ， 波长还可以缩小到132nm以下 ， 也就是说提高光刻机的分辨率非常方便 。“浸入式光刻”方案并非林本坚灵光一现的产物 ， 实际上早在1986年 ， 他在IBM工作期间 ， 就已经认定缩短波长的最佳方案是由干式微影技术转向浸润式 。 但当时半导体界还没在波长前撞墙 ， 浸润式技术方案没有得到重视 。15年后 ， 林本坚终于等来了机会 。ASML是如何成为全球第一的光刻机制造商的？
林本坚 （图片来源：互联网）“浸入式光刻”方案一出 ， 基本上宣判了半导体界正在开发的各种“干式”微影技术方案的死刑 ， 意味着此前投入巨量的资金和人力几乎打了水漂 。 这下大家不干了 ， 列出了一大堆反对理由 ， 并有大公司高层捎话给台积电共同运营长蒋尚义 ， 希望他管管林本坚 ， “不要（出来）搅局” 。3、阿斯麦下注崛起林本坚带领团队半年发表3篇论文 ， 消除业界对“浸入式光刻”方案的技术疑虑 ， 同时跑遍美国、德国、日本等国 ， 说服大厂们采用“浸入式光刻”方案 ， 基本都是被拒绝 。 毕竟之前的巨量投入打水漂 ， 是个人想想都会心疼（尼康现在大概是后悔的） 。来到荷兰阿斯麦时 ， 林本坚终于听到愿意合作的声音 。打动阿斯麦的 ， 除了“浸入式光刻”方案的技术难点被林本坚证明可以攻克 ， 还有它的市场前景 。 由于半导体芯片市场一直被摩尔定律的小鞭子驱赶着 ， 而英特尔又是摩尔定律的坚定支持者 ， “浸入式光刻”方案既然可以轻松突破157nm的障碍 ， 那么产品生产出来 ， 英特尔将会下单 ， 加上台积电 ， 阿斯麦可以拿下两家龙头客户 。ASML是如何成为全球第一的光刻机制造商的？
阿斯麦工作人员调试机器（图片来源：互联网）半导体设备市场是个小众市场 ， 两家龙头企业点头后 ， 阿斯麦追上行业老大尼康的概率大大增加 ， 权衡下来 ， 此前对干式微影技术的投入就显得不那么肉疼 ， 阿斯麦于是决定下注投入“浸入式光刻”方案 。阿斯麦和台积电一拍即合 。 2004年 ， 双方共同研发成功全球第一台浸润式微影机 。 当然 ， 尼康也不是吃素的 ， 宣布采用干式微影技术的157nm产品和电子束投射（EPL）产品样机研制成功 。但阿斯麦的产品相对于尼康的全新研发 ， 属于改进型成熟产品 ， 半导体芯片厂应用成本低 ， 而且缩短光波比尼康的效果还好（多缩短25nm） 。 结果 ， 没人愿意买尼康的产品 ， 尼康溃败由此开始 ， 市场份额被阿斯麦大口吃进 。5年后也就是2009年 ， 阿斯麦已经占据70%市场份额 ， 尼康则从行业老大变成小弟 。 尼康的溃败 ， 还间接拉低了日本半导体芯片厂商的竞争力 ， 它们基本上都采用尼康的光刻机 。 阿斯麦的崛起 ， 则直接带动台积电上升 ， 并达到今天的高度 。“一荣俱荣 ， 一损俱损” ， 曹雪芹发现的这条豪门兴衰规律 ， 同样适合高度耦合的半导体产业 。4、倒霉的尼康都没机会当小角色在和阿斯麦关于“浸润式”和“干式”投影的技术路线争斗中 ， 尼康只是打了一场败仗 ， 而让它真正一败涂地的 ， 还是在EUV光刻机的研发中 ， 被美国直接排除在外 。这个时间点需要推移到“浸润式光刻”方案出现之前 。在上面讲到的“浸润式光刻”方案中 ， 光源采用波长为193nm的氟化氩激光 。 随着摩尔定律的推进 ， 氟化氩激光的潜能很快被“浸润式光刻”榨干 ， 半导体界需要寻找新的光源 。高功率二氧化碳激光器看起来非常适合 ， 它发射的极紫外光波长为13.5纳米 ， 仅为氟化氩激光193nm的1/14 ， 前途简直不可限量 。不过 ， 极紫外光也不好伺候：容易被许多材料吸收 ， 需要在真空环境曝光；真空环境带来洁净度挑战；过短波长易产生绕射 ， 进而造成掩膜、晶圆边缘过度曝光 ， 带来良品率下降问题；总之 ， 新的光源带来一大堆新问题 ， 其实这也是193nm氟化氩激光源一用就是几十年的原因 。 但极紫外光诱人的应用前景 ， 促使摩尔定律的坚定拥护者Intel早在1997年就开始下注 ， 这也是尼康悲剧的开始 ， 阿斯麦走运的起点 。


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