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比原子弹还难?我们造出自己的高端光刻机还有多远?

2020-6-18 08:03| 发布者: 南极| 查看: 571| 评论: 0|原作者: 乌鸦校尉|来自: 乌鸦校尉

摘要: 前段时间,光刻机设备供应商ASML的首席执行官Peter Wennink,在谈到给中国供货的话题时,说他觉得向中国交付光刻机没有什么问题。不用担心中国会复制出高端光刻机,因为高端EUV机器永远不能被复制,另外中国也有很好 ...

前段时间,光刻机设备供应商ASML的首席执行官Peter Wennink,在谈到给中国供货的话题时,说他觉得向中国交付光刻机没有什么问题。

不用担心中国会复制出高端光刻机,因为高端EUV机器永远不能被复制,另外中国也有很好的规定保护知识产权。

他们和中国合作已经有30年了。

比原子弹还难?我们造出自己的高端光刻机还有多远?

他还特意解释了为什么他不害怕中国会模仿出光刻机:

“这是因为我们是系统集成商,我们将数百家公司的技术整合在一起,为客户服务。

这种机器有80000个零件,其中许多零件非常复杂。

以蔡司公司为例,为我们的生产镜头,各种反光镜和其他光学部件,世界上没有一家公司能模仿他们。”

另外,中国复制光刻机没有好处:

“永远都不可能秘密进行这种操作,必须要涉及很多专家。假设他们成功了,他们将给市场带来很多无法追踪来源的芯片,而最终曝光。

我们总是关注着市场的动态,我们当然也会熟悉我们的产品出口的每个国家的知识产权法律。

中国也有良好的规定,即使只是为了保持自己的领先地位,例如在5G移动通信领域。这些规定也适用于我们的机器。”

其实,他这话是说给美国听的,ASML一直想把光刻机卖给中国,但是在美国的施压下,荷兰政府把EUV的机器出口中国许可证给扣了。

美国人的说法还是老一套,这是战略产品,出口后可能会被中国窃取!

ASML总裁这个表态,很有针对性地回复了美国的所谓“担忧”,就是明明白白地表示这个光刻机他想卖,非常想卖,让美国别卡了。

比原子弹还难?我们造出自己的高端光刻机还有多远?

ASML执行官没有乱说,在很多人眼里,似乎光刻机就是他们一家公司就掌握了全部的核心技术。

但实际上,在ASML独步天下的背后,是全人类科技的结晶,无数家相关领域顶级公司的鼎力支持,ASML是众星拱月的那个月亮,“俺们村希望”。

1

早年的光刻机,其实并不是什么高科技,干这行的公司不在少数。

当时的光刻机,远不是现在的“印钞许可证”,而是属于小众“玩具”,一年能卖个几十台就很不错了,而且门槛也没多高,所以从事这个行业的人寥寥无几,因为赚不到多少钱。

由于技术含量不高,每个做半导体的厂商,都有自己的一套方法,比如英特尔,就是自己买摄像机,再把镜头拆下来用。

当时,美国的光刻机有三雄,GCA,P&E和Ultratech。

这三家各有特别之处,比如P&E推出的投影式光刻机,和GCA推出的自动化步进式光刻机,都具有跨时代的意义。

比原子弹还难?我们造出自己的高端光刻机还有多远?

但是,那个年代的主角,注定不是美国公司,而是日本公司。

光刻机的原理其实说来很简单,就是做起来难,先在半导体材料的表面,覆盖一层有着高度光敏感性的光刻胶。

接下来,光线通过掩模,照射在材料的表面。

被光线照射到的光刻胶,就会发生反应,类似于在纸上烫一个点。

这个过程,就是光刻。

接下来,再在没有光刻胶保护的部分进行刻蚀,再把其余的光刻胶洗去,就完成了一个芯片的基本制作过程。

概括一下就是,光刻机就像一个大型的照相机,半导体材料就像底片,图案经过光刻机后,咔嚓这么一照,微缩投射到底片上来。

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80年代,是日本半导体最辉煌的年代,任何领域都至少有一家日本公司在做。

而光刻机领域,日本的代表是尼康佳能,确实都和照相机有关系。

但当时佳能的照相机业务比光刻机赚钱多了,所以一开始对光刻机一直不太上心,主力是尼康。

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那时候的日本半导体行业非常团结,实力也极为强悍,彼时的NEC和东芝就如同今天的英特尔和三星。

前有尼康和佳能搞光刻,后有东京电子、日立等等一系列配套厂商在后面做支持,他们的技术是突飞猛进。

而美国GCA的镜片来自德国蔡司,一个经验非常老到的公司,可GCA和蔡司二者的合作不和谐,每次都得谈半天,导致GCA产品更新的速度一直跟不上尼康。

半导体市场是有限的,一旦你的技术落后了,为了产品能比别人卖得好,大家都愿意买更先进的机器。

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尼康就这样,从GCA手中把一个个大用户抢了过来:IBM、英特尔、AMD……

尼康的另一个美国对手P&E,市场份额从超过30%到连连下跌,跌到不足5%,直到最后完全放弃半导体设备业务。

节节胜利的尼康甚至直接在美国科技心脏地带硅谷成立尼康精机,飞龙骑脸。

一直到2000年左右,光刻机市场一直都是尼康独步天下。

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而这个时候的ASML,才刚刚出生,穷困潦倒。

而且,ASML的成立很偶然,是另一家著名公司飞利浦,随手促成玩玩的,完全没指望他可以做大。

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ASM的老板叫Arthur del Prado,毕业于哈佛商学院。毕业后回到荷兰创建了ASM。

他的目标,是在欧洲建立一座硅谷。

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正好,当时光刻机门槛不高,飞利浦刚刚在实验室里研发出了自动化步进式光刻机的雏形,但这个雏形还不够成熟。

飞利浦拿着它去找业界老大,但无论是GCA还是P&E,都不愿意合作,瞧不上这个不成熟的东西。

ASM主动找上门来,想要寻求合作,但飞利浦又嫌弃ASM体量太小。

飞利浦这个光刻机高不成低不就的,就快砸手里了。

1983年,ASM在纳斯达克上市了。飞利浦意识到,这个ASM比自己想象中的似乎强不少。

于是,飞利浦再次找到ASM,打算给自己的光刻机找个接盘侠。

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为什么说是接盘侠呢?

因为原本飞利浦和ASM谈的是,双方各出210万美金,成立一个合资公司ASML。

但真等到要拿钱出来的时候,飞利浦连这点钱也不愿意拿,硬是用一些还不太成功的库存PAS2000光刻机抵了180万美金。

换句话说,飞利浦真没觉得这生意能做大,就想借这个公司占一个坑观望观望。

事实上,初期的确如此。

ASML成立之初,只有31个员工,这31个员工就在飞利浦豪华玻璃大楼外面的小破木板平房里办公,连大楼都进不去,跟要饭的差不多,业绩也是极为惨淡。

比原子弹还难?我们造出自己的高端光刻机还有多远?

1986年,半导体市场遭遇危机,整体来了个大滑坡,光是三星就在半导体上亏了3亿多美元!

连带着搞光刻机的厂商,也遭了殃。美国的GCA找不到买主被关闭,Ultratech被卖出去后还缩小了规模,P&E也被卖给了SVG……

美国三雄的地位,已经完全被尼康和佳能替代了。

而ASML本身规模小,想亏也没啥能亏的,尼康占据了高端的市场,原来的美国公司没了,反而让他们有了10%的市场占有率。

和尼康比起来,他们就是个小虾米。

但谁也没有想到的是,整个光刻机行业的发展瓶颈,给了ASML一个意外咸鱼翻身,反超尼康的机会!

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尼康光刻机

2

ASML反超尼康的机会,来源于光刻机技术碰见困难了,前进不了,整个行业都卡那儿好多年了,前方堵车,此路不通。

困难是什么呢?

做芯片这件事,就是在硅上用刀雕花刻字,激光就是那个刻字的“刀”。

光源的波长数小了,刀更精致了,能加工的芯片自然而然也就更加精细了。

而全世界已经卡在193nm很久了,寸步难进。

比原子弹还难?我们造出自己的高端光刻机还有多远?

当时的业界有好几个思路。

第一种,是以尼康为代表的157nm。这种做法的难度在于,157nm光会被现有193nm机器用的镜片吸收,相对应光刻胶也要重新研制。

重新研制问题也不大,但从193到157,这个进步实在是太小了,很有可能入不敷出。

以前,尼康因为镜头出色,而为自己打出了一片天地。而这时候,事事亲力亲为,成了它失败的原因。

由于要自己研发,慢,成了它的第一个弱点。同时,事事都做,就不可能事事都做得好。于是,尼康在研发过程中经常不是这里出了问题,就是那里有个毛病。

第二种,是将光源改为极紫外光EUV,它只有13.5nm,但难度更大,以当时的技术根本实现不了。

所以这两种思路在当时,都失败了。

这时候,台积电的一个叫做林本坚的工程师,提出了一个独树一帜的新思路:

只要在光刻胶上加一层水,激光入水折射,193nm不就一下变成134nm了吗?

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但他的想法刚提出来的时候,根本就没有人买林本坚的账,甚至还有大公司高层找到台积电,希望有人管管林本坚,让他不要出来瞎搅合。

但林本坚没放弃,他找来找去,终于找到了ASML,愿意和他合作。

两家一拍即合。2004年,双方共同研发出了全球第一台浸润式光刻机!

尽管尼康也宣布157nm的样机研制成功了。但ASML的机器显然弯道超车了,更受欢迎。

光刻机的市场就那么大,这一场道路选错要了老命,尼康大输一阵!

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如果说,尼康在市场占有率上的第一次被反超,还只是路线选择错误翻车了的话,那么后来差距的被进一步拉大,就完全是政治问题了。

林本坚的思路是一个取巧的办法,但彻底改变光源才是未来势必要走的一条路。

早在1997年,英特尔就和美国能源部牵头,拉了AMD、摩托罗拉等搞了一个前沿组织EUV LLC

这个组织实力非常强大,成员囊括了美国劳伦斯利弗莫尔、劳伦斯伯克利和桑迪亚三大国家级实验室。

前后有近40个国家加入战团,欧美发达国家几乎悉数入局,是业内科研最为顶级的组织!

对于尼康和ASML来说,两个企业势必要拉一个进来。

然而,美国选择了ASML,尼康被排除在外了——美国怕尼康窃取自己的技术,也怕日本掌握核心技术不安全。

同时,ASML没少给美国承诺,立投名状。

EUV光刻技术比以往复杂了百倍:

光源需要重新来,镜头需要重新磨,光源的功率需要提升……总之,没近路可以抄。

日本尼康就是在科研上再厉害,也比不过全世界集体合作。

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2009年,Cymer公司的EUV光源功率达到100W,接近商业化指标,成为了ASML的光源模组供应商。

终于,EUV光刻机研制成功。

前前后后算起来,钱还是其次,无数科研人员的精力和时间,是多少钱都买不来的。

一台EUV光刻机的重量超过180吨,整个光刻机的零配件超过10万件,而要想把这样的一台光刻机从出厂运到客户工厂中,至少需要40个集装箱!

仅仅是从安装到调试,就需要一年的时间。

和这样宏大的项目比起来,尼康力有未逮,和ASML的差距越拉越大,绝望得再也看不到翻盘的希望。

其实,不要说日本了,对全世界任何一个国家来说,ASML都是众星捧月的那个“月亮”,他一马当先,其他人都难以望其项背。

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日本人曾经研究过ASML,他们发现,ASML的一台EUV光刻机有超过10万个零件,其中90%的零部件都依赖外购。

有美国Cymer的光源(2013年被ASML收购),有德国蔡司的顶级镜头,有英特尔的技术分配,有瑞典的轴承,有法国的阀件,等等等等……

ASML作为集大成者,自己需要做的主要是设计和组装,不需要管工厂生产。

换句话说,ASML作为顶级光刻机的背后,是全世界多个国家的顶尖技术的通力配合,整个人类上百年科技的结晶,更是全球化的产物。

如果中国的光刻机击败了ASML,不是中国单挑赢了荷兰,而是中国单挑赢了全世界。

这难度堪比登天。

3

对于中国来说,哪怕一件事再难,我们也要做,这不是我们非要逼自己,是敌人非要逼我们。

中国如果不做自己的光刻机,类似买一台机器三年都到不了货的事情还会无数次地发生。

国内光刻机做得最好的,是上海微电子装备公司(SMEE),它可以做到的最精密的加工制程是90nm的光刻机。

90nm的能力,已经足够驱动基础的国防和工业。

就算所有进口光刻机都瞬间停止工作,中国也不是没有芯片可用。

但,它能造出来的芯片,也就相当于2004年奔腾四处理器的水平。

这之间有十几年的差距。

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我国入局半导体行业,起步其实并不算太晚,可惜的是中途放弃过。

1956年,我国第一只晶体三极管诞生。此时距离贝尔实验室研发出的世界第一支点接触三极管,过去了9年。

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世界上第一只三极管

我国最早的光刻机GK-3型半自动光刻机,诞生于1977年。这是一台接触式光刻机。

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GK-3

而美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机,期间相差了二十几年

1978年,1445所在GK-3的基础上开发了GK-4,把加工圆片直径从50毫米提高到75毫米,自动化程度有所提高,但依旧是接触式光刻机。

同一年,GCA已经推出了真正现代意义的自动化步进式光刻机。

但之间的差距,开始逐渐减小:

1982年,科学院109厂的KHA-75-1光刻机,保守估计跟当时最先进的佳能相比,最多也就不到4年的差距。

1985年,机电部45所研制出了分步光刻机样机。这应该是中国第一台分步投影式光刻机。中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年。

当时中国的半导体产业虽然没有超越当时世界最先水平,但是差距并不大。

以一个国家的实力,去追赶整个西方的速度!

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然而,到了80年代末期,在整个大环境都是“造不如买”的思想下,中国光刻机一度被放弃了,自主研发停滞不前。

直到90年代末期,我们意识到了问题所在,重新把光刻机捡了起来,但已经落后了世界一大截了。

中国光刻机领域的代表企业,是前面说过的上海微电子

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2002年,上海微电子装备有限公司承担了“十五”光刻机攻关项目,中电科45所把此前从事分步投影光刻机的团队迁到了上海,参与这个项目。

2016年,上海微电子已经量产90、110和280三种光刻机,其中性能最好的是90nm光刻机。

荷兰的ASML,现在还牢牢占据高端市场,一骑绝尘;日本的尼康、佳能有终端市场,半死不活;上海微电子的光刻机,顶多占据了低端市场。在这三家的面前,根本不够看。

ASML曾放言称,就算给了一台机器,我们也很难逆研发出来整个机器。

这话不假。

这颗“人类工业皇冠上的明珠”要造出来,绝非一日之功。

制造业有制造业的规律,科研需要的是一步一个脚印的踏实,着急也没用,一口吃不成胖子。

比原子弹还难?我们造出自己的高端光刻机还有多远?

但中国人是全世界最不信邪的。

纵使前途漫漫,纵使难于登天,但是中国的科研人员,却从未停下自己的脚步。

其实,对于一个发展已经极为成熟的行业来说,赢家通吃是普遍的规律,技术落后的第二名只能吃老大吃剩下的残羹冷炙,用爱发电维持不了多久。

在ASML绝对垄断的状态下,尼康和佳能现在基本是咸鱼两条,只能默默看着ASML一个人继续勇攀高峰,背后一堆跨国公司给他鞍前马后提供支持。

赶超的唯一希望,依然在中国身上。

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参考资料:

魔铁的世界:EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

雪球:国产光刻机的发展史回顾

金捷幡:光刻机之战

【本文原载微信公众号“乌鸦校尉”】

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