“设备与材料”系列｜远川科技评论

源济

光刻机大败局

原创 刘芮、邓宇 远川科技评论 2020-05-30

作者

：刘芮、邓宇

支持：远川研究所科技组

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”，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。

Part.1

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EUV LLC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，但高中学生都知道，水会降低光的波长——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COO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。

Part.2

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EUV LLC排挤在外时，就已经注定了如今光刻机市场一家独大的结局。

 

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”。[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。

Part.3

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11nm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175～200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。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EUV LLC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。

 

远川研究所科技组

 

董指导（科技组组长）：科技，驱使我的脚步，在月光下摩擦。

 

陈帅（科技组高级分析师）：不想当分析师的财经编辑不是一个好记者。

 

刘芮（科技组高级分析师）：还请多指教。

参考资料

[1]. 拉下尼康，ASML 是如何一举称王的，魔铁的世界

[2]. Cooperative Research and DevelopmentAgreements and Semiconductor Technology: Issues Involving the “DOE-IntelCRADA”, CRS Report for Congress

[3]. U.S. gives ok to ASML on EUV effort,EE Times

[4]. 光刻机详解（1）：光源系统篇，qbdp

[5]. EUV光刻技术隐秘往事：近40个国家入局，研发难度超原子弹，魔铁的世界

[6]. 光刻机之战，金捷幡

[7]. 失去的制造业：日本制造业的败北，汤之上隆

- END -

大牛Steve

rightonmoney

坚强的蛋炒饭

文章写得很到位。

源济

中国半导体设备自主，真比造原子弹还难吗？

原创 刘芮、邓宇 远川科技评论 2020-06-09

作者

：

刘芮、邓宇

支持：远川研究所科技组

这是“设备与材料”系列第三篇，前面两篇回顾：

《光刻机大败局》

《大硅片是韭菜的爱国税吗？》

光刻机被荷兰人卡脖子，抛光机与离子注入设备是美国人的天下，就连中国最擅长的半导体测试封装，上游设备也被德国人所垄断。

 

造不如买，买不如租的思路持续二十年，一直到被卡脖子断供的当口，我们才茫然反思：中国半导体设备自主，难道比造原子弹还难吗？

 

起码在刻蚀机领域并非如此。

 

与风口上的光刻机做个简单对比：造芯片，就是将掩膜版上的芯片线路在硅晶圆上雕刻出来。其中，光刻机是描摹图案的笔，刻蚀机是在晶圆上雕刻的刻刀。

 

在诸多半导体设备之中，光刻机是最精密，单台造价最贵的一个；而刻蚀机则是在光刻机发展遇到瓶颈后，推动摩尔定律继续前行的主要功臣，近些年来，更是全部半导体设备中市场最大的一个。

 

 

上世纪七八十年代起，这个市场就被美国应用材料、拉姆研究以及日本东京电子，垄断了80%市场。其中高端的等离子刻蚀机，更是一直到2015年都对中国实施出口控制。

 

解除封锁背后，主要归功于一个叫做中微半导体的企业，这家公司，2004年由60岁高龄的尹志尧归国创立，2007年首台CCP刻蚀设备研制成功，再到2015年突破等离子刻蚀机的封锁。中微成功的背后，其实是一套已经被验证过多次的中国半导体三步突围方法论。

 

Part.1

造芯片、造设备虽说是一个技术主导的产业，但也是一个经验为王的产业。一千个清华毕业生，或许也抵不上一个在硅谷工作二十年的老师傅。2004年归国创立中微半导体的尹志尧，就是一个典型代表。

 

“我是个癌症病人，只剩下半条命，哪怕豁出这半条命，也想为国家造出光刻机、等离子刻蚀机来，我们一起干吧！”

 

说话的人是江上舟，时任上海市经委副主任兼国家中长期科学和规划重大专项组长，同时也是尹志尧在北京四中的学弟。在2004年的上海世界半导体设备展前后，为了动员学长回国，他使出了全身的解数。

学弟盛情邀约，但究竟以高龄华人身份返乡创业；还是以美国巨头高管的身份光荣退休，尹志尧陷入两难。用他的原话说就是“创业就是走上了一条不归路，对于我这个创业时年已经六旬的人来说，很可能累死在工作的岗位上。”

 

但“学成”不还乡，如锦衣夜行。改革开放已经二十多年，当时的中国正需要一次彻彻底底的高端制造业大升级。具有丰富经验的海外华人工程师、高管，正是这场浪潮中的领路人。

 

在历史文章《中国芯酸往事》中，我们曾做过这样的梳理：中芯国际成立于2000年；展讯通信成立于2001年；汇顶科技成立于2002年；华为海思成立于2004年；澜起科技成立于2004年；兆易创新成立于2004年；中微半导体成立于2004年……

 

其中，中芯国际创始人张汝京，曾在德州仪器工作20年；兆易创新创始人朱一明曾是iPolicyNetworks Inc的资深工程师；而中微半导体创始人尹志尧，也曾任全球最大半导体刻蚀机巨头美国应用材料的副总裁。

背后原因有二：其一，中国改革开放培养出的第一批人才80年代留学后，2000年回国，正是技术、人脉、经验的巅峰；其二，半导体创业，除了技术难度高，更存在一个Know-how的经验黑箱。

 

在美国工作二十年，尹志尧一路升至应用材料公司副总裁、等离子体刻蚀事业群总经理。先后在三家芯片刻蚀机寡头中的两家都有所建树，手握86项美国专利。当年他带领15位硅谷资深华裔科学家回国，就连《今日美国》也用了相当篇幅来对中微半导体进行重点报道。

 

刻蚀机虽不如光刻机复杂，但也是一个需要至少融合50多个学科和专业知识的精密器械。从研发到新品上市，即便对应用材料以及拉姆研究这样的巨头来说，一般需要用三到五年时间。

 

而一开始只有15人团队创业的中微，创业仅三年，就研制成功了首台CCP刻蚀设备产品，并运往国内客户，在45nm、22nm、14nm、7nm介质刻蚀，等离子刻蚀上一路狂奔，用不到十五年时间，在技术上基本追平对手三十多年的积累。

Part.2 

有人是方法论的第一步，而选对了上海，则是中微成功方法论的第二步。上海给中微与中芯国际的，一方面是帮扶，一方面则是1+1大于2的产业配套。

 

2004年，中微落地上海后，曾招致不少质疑。只靠尹志尧团队自筹的150万美金，中微可能还没开门，就得歇业。但民营企业被政府补贴后，它究竟姓社还是姓资？而作为一个华人在海外注册的企业，中微又到底是外国公司，还是中国公司？

 

汉芯教训在前，谁也承担不起国有资产流失的罪名。

更何况，半导体创业初期，资本只进不出是产业常识。而当年的应用材料与拉姆研究，仅仅是为了维持领先地位，每年的研发经费投入就以数亿乃至十几亿美金投入打底。还是那句话只靠着尹志尧团队自筹的150万美金，中微可能还没开门，就得歇业。而政府一旦决定扶持，这又将是一个烧钱的无底洞。

 

但上海一直以来都是全国对高新技术最为包容的地方之一。2000年，张汝京建立中芯国际之时，他曾经首站选在香港，只可惜特首都同意了，中芯却被地产商赶出了香港。

 

打道回上海，张汝京立刻得到了时任上海市长的亲自接待，指着正在规划中的张江，领导大手一挥，中芯国际要建厂“想要哪块都可以！”钱、人、地皮，只有中芯不敢要，没有当时的上海不配合。

 

当年中芯国际享受的待遇，中微一样也没落下。给钱、给人、给地方，在江上舟等人的力保下，中微创业初期，就拿到了上海市政府提供的5000万启动资金。之后，江上舟又引荐尹志尧找到国家开发银行行长陈元，拉来5000万美元无息贷款。

 

02专项、上海政府的扶持下，中微在那个所有人都把半导体当骗子的年代里，挺过了创业初期最艰难的一段时光。

 

但中芯与中微同在张江，真的只是孤立的闪光点吗？1+1大于2，才是张江高科真正的目的。

 

半导体设备虽然位于半导体行业上游，其实同样需要下游代工厂以及上游零件企业的配合。就拿光刻机来说，一台由十万个零件构成的EUV光刻机中，90%的部件均来自外部厂商，为保障研发进度，阿斯麦也会主动引进台积电、三星等代工厂成为自己的股东。

 

而刻蚀机虽然没有光刻机复杂，但要知道：高端的光刻机都是相似的，而刻蚀机就连基础款都复杂的千姿百态。

具体原因在于：刻蚀半导体底层需要ICP设备，而刻蚀上层线路则需要CCP设备。即便同样是刻蚀底层，也会根据芯片的存储、计算、车载等不同类型，需要搭配不同类型的刻蚀机。

总而言之，刻蚀机类型，会根据工艺以及半导体类型，而分成非常多不同的型号。自然，也就需要整个产业上下游的配合。

 

除了引荐尹志尧与张汝京等人回国，江上舟其实也是张江高科产业园的规划者之一。早在中微入驻之前，此处就已经引进了华虹、宏力、上海台积电、上海贝岭等数条先进集成电路；此后，紫光、兆易、韦尔半导体、阿里又相继入驻，从上游设备，覆盖到下游封装测试。

 

就拿中芯国际来说，历次中微的最新设备出炉，中芯国际多是首批“尝鲜”兼“试毒”的下游客户。一直到2016年，中芯国际也还是中微占比达到39%的第一大客户。

 

而中微与中芯国际的崛起背后，企业本身的奋斗固然是主要原因，但必须承认的是，所有的科技革新背后，其实都离不开一个肯花力气，愿意烧钱的政府。

Part.3

如果说过去十几年的潜伏，是半导体设备产业从零到1的国产化起步，那么从2018年起的三年催化，则是国产半导体设备全面崛起的临门一脚。

 

背后原因有三：

 

（1）2018年开始的那一场断供，让半导体自主从一个产业的隐忧，变成了一个国家的明伤，半导体不自主则科技不自主，成为所有人的共识。

 

（2）刻蚀机本身的市场，已经随着芯片制程的不断提升而飞速发展。

 

（3）科创板、国家大基金的出现，让中国半导体，不再只是一个靠情怀生存的孤岛，创业者有未来，投资者能退出，企业有联合，一个健康的商业生态正蓬勃崛起。

 

第一点就不再赘述，这里需要解释一下的是第二点，刻蚀机的重要性。

 

芯片领域，有一个约定俗成的产业规范，叫做摩尔定律：集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18至24个月就会增加一倍（相应的芯片制程也会不断缩小）。

 

但制程如何提升呢？英特尔、高通、海思这些设计企业名头虽响，但他们只是摘桃子的下游。真正起决定作用的，其实是材料与设备企业。

 

前面我们提到，光刻机是其中起到决定性作用的一环，但提升制程，光刻机不是万能的。

 

打个简单比方，从硅片到芯片，可以想象成从一张纸最终雕刻成窗花的过程。光刻机是画花样的笔；而刻蚀机，则是用物理或者化学方法，根据花样来进行雕刻的刀。

 

制程要先进，画笔首先得细；但刻刀也不能落下。更何况，随着单位体积内晶体管数量越来越密，想一次加工完全部图案，产品良率自然受到影响。这时候，多重刻蚀技术就登场了。

 

其原理可以简单理解为：先打线稿雕刻第一遍，再处理细节二次、三次雕刻。这也就导致了，每次芯片制程的提升，都会导致刻蚀步骤的成倍增加。

而近些年开始，刻蚀机在芯片各种半导体设备投资中的占比，已经一跃超过光刻机，成为最大的一头。

 

而借着市场东风，中微自然一跃而起，跻身千亿市值俱乐部。

 

当然，市场机遇之外，成就了中微估值的，其实也离不开国家大基金、科创板的托举。而中微正是国家半导体大基金的第一个被投，2014年一次性拿到4.8亿人民币。而科创板的出现，更是让中微走到台前，从此什么都可以是问题，唯独钱不是问题。

 

资本做引，芯片，变成了科技致富、企业估值一飞冲天的不二法门。星星点点出现的江上舟、张汝京、尹志尧，被一条名为科技自主的暗线牵连，踟蹰独行二十年后，也终于成为了市场的主角。

 

最近，我们询问一位知名二级市场分析师：中微、中芯国际，他们的实力真的配得上他们的市值吗（中微在市场远远落后的情况下，二级市场估值接近lam三分之一）？

 

他这样反问：如果中微的二级估值都追不上应用材料与拉姆，工程师住不起房，企业没有发展的动力，我们的自主突破又从何谈起？

 

尾声

回到最根本的那个问题，中国半导体崛起难吗？难！在刚毕业的大学生到七旬高龄的归国专家一同努力下，七十年发展我们仍然没能走出包围。

 

但中国半导体发展真的有那么难吗？或许也没那么难，诀窍总结其实很简单：天时地利人和。

 

无数像江上舟、倪光南一样振臂高呼的官员学者，张汝京、尹志尧一样应声而起的实业家，无数为科技自主而奋斗的精英，他们是中国芯片、操作系统、精密设备的人和。

 

上海的半导体，北京的软件、AI，合肥的屏幕……地方的支持，缔造了产业的奇迹，他们是科技兴国的地利。

 

基础齐全，压力、资金、国家关怀，三者一同就位，则构成了中国半导体发展几十年来前所未有的天时：

 

对中国半导体来说，未来充满希望。

- END -