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芯片之难,难于光刻机

日期:2020/9/21 10:25:49
摘要:有资料显示,1台光刻机包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器。

芯片是什么?

一颗小小的硅片上布满了排列整齐的集成电路,阳光下,像一种五彩斑斓的昆虫。

但正是这种“昆虫”实实在在地控制着科技时代的纷纭万物:手机、电脑、家居电器、汽车机械、能救命的高科技医疗器械、飞机火箭,乃至无数军工产品,都离不开芯片。

举个例子,站在街头环顾一圈,能载客行驶的交通工具,人们兜里揣的、包里装的、耳朵上别着的智能小玩意,街头闪烁的广告屏、红绿灯……全仰仗芯片存储信息、发号施令。没有芯片,虽不至于回到原始社会,但足以打乱人类正常的生产生活。

可以这么说,“芯片”成就了现代社会登上科技之巅。

但自然,高处不胜寒。

这个夏天,“芯片之困”成了必须直面的问题。

01

芯片之难,难于光刻机

不过处在“芯片之困”的阴霾下,就意味着和芯片相关的事,我们都干不了吗?非也。

若干年来,依赖无数人才的奋力追赶,中国的芯片设计和制作工艺,发展得并不慢。芯片之难,实则难于芯片制造。巧妇难为无米之炊,造不出高级芯片,再顶尖的设计技术也无处施展。也正是此,让华为领先全球的麒麟系列芯片或成绝版,让华为消费者业务CEO余承东连呼遗憾。

而芯片制造,“光刻机”是绕不开的终极神器。可以说,没有光刻机就没有芯片,所谓的芯片之痛,真正的痛点就是光刻机。这个长久以来的隐于幕后的大boss最近热度颇高,中国科协近日发布的“10个工程技术难题”,光刻机技术名列其中。坊间更是传闻华为大力挖掘光刻机工程师,要自建光刻机。

光刻机,讲原理并不难。

通俗易懂地说,就是高级版“投影仪+照相机”:光刻机有光源,光源发光,然后通过一个带图形的光罩,给上附有光刻胶的硅片曝光,借助光刻胶感光后的性质变化,光罩上的图形就可以被印到硅片上,于是硅片就有了电子线路图般的作用。

但听起来简单,制造光刻机有多难?

有人形容光刻机“是集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物”。还有人赋予其一个极美的称呼,“半导体行业皇冠上的明珠”。皇冠上最大最中心的明珠,仅此一颗,也说明了光刻机在芯片制造中无可争议的地位。

因为精度之高,光刻之“刻”靠普通刀子自然实现不了,于是要以“光”为刀进行雕刻,目前的精度7nm,相当于把病毒大卸八块,把一根头发丝劈成几万份。

有资料显示,1台光刻机包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器。其中,光源产生极紫外光EUV的难度相当于在飓风中心,以每秒5万次的频率用乒乓球击中同一只苍蝇两次;冷却激光器,每秒需要能填满6个浴缸那么多的水;光刻机的分辨率,则相当于把48万个单词的《指环王》在同一张纸上印刷2625遍;每一步都难度颇大,但制作一颗芯片大概需要3000道工序,要想保证光刻机完美运转,每一步的成功率都要高于99.99%。

还有工程师说:“光刻机的一个小零件,工程师就需要调整高达十年之久,尺寸的调整就要高达百万次以上。”坊间传言,就算给出图纸,别人也造不出来一说正源于此。

随着工艺越发高精尖,依靠着独一无二的售后服务,光刻机设备商的话语权越发提升。

而目前,掌握全球领先光刻技术的正是荷兰 ASML公司。

在盛产风车、郁金香,风景如画的荷兰,静静卧着一头“猛兽”——凭一己之力就吞掉了光刻机全球市场份额近80%的ASML,精度在7nm 及以下的光刻机,只有他能生产。

名为“光刻机”,实则“印钞机”,每生产一台就可售1.2亿美元。

但每年生产力有限,只能生产20余台,物以稀“更贵”。每出厂一台,都被全球芯片制造商虎视眈眈,谁“抢”得到最新的光刻机,就意味着谁更有可能造出更高端芯片,掌握科技时代命脉。

但屹立科技之巅的ASML公司究竟是如何炼成的?

成立于1984年的ASML,在一个看起来连蛋糕渣都没有的尴尬时机入局,彼时光刻机领域老牌大佬GCA还宝刀未老,尼康佳能双雄又强势崛起,然而坐落于飞利浦大厦外垃圾桶旁,一排简易厂房的ASML 携47名员工入局,并许下壮志“只做第一”。

今天的成功让那时的决心显得分外慷慨勇敢,但可以想象的是,那时,大家都认为它疯了。

36年间,从几近破产的小公司到行业内当之无愧的一哥,这不是一个顺风顺水人人都爱他的杰克苏叙事史,也不全是一个苦心孤诣苦哈哈的逆袭之路。天才与智慧,偏执与勇敢,机遇与奋斗……ASML不缺故事。

02

机缘巧合,巨头炼成

即使身负绝世之功,ASML却习惯低调。但因为经历太过传奇,不必传扬,江湖上也飘荡着他的传说。

源远流长的第一段是他与台积电鬼才林本坚的惺惺相惜。

上世纪90年代,整个半导体行业都陷入了一个共同的难题,光刻机光源波长被卡死在193nm。

光刻画不出更精致的线条,自然就造不出更精细的,性能更强的芯片。

面对难题,虽然实践成功率低、回报率也低,但老巨头尼康等厂商依然采用传统解题方法,强行将光源缩短到157nm波长。

另一边,一个年轻人提出了创新想法,为什么非要改变波长?时任台积电研发副经理的林本坚想出了浸没式光刻法:在镜头和光刻胶之间加一层水,经过水的折射,天堑一跃而过,光线波长可以由193nm变为132nm。

但当他拿着新型创意前往巨头大厂毛遂自荐时,得到的却全是拒绝。甚至尼康、佳能、IBM等所有巨头要联合起来封杀冷藏林本坚。原因可以想象,面对一堵门,有人扛来长枪短炮重型武器轰炸不止时,另一个人却建议,找找钥匙开门,虽然成功的路上,独辟蹊径往往意味着降维打击,但巨人转身慢,巨人怕成本。

而同样在光刻机难题中挣扎求存的ASML如同大海中的一叶小舟,体量较小,但却可以灵活转向,全力冲刺,同是满腔壮志无处可酬,ASML向林本坚伸出了手——选择浸润式技术,不仅意味着台积电的订单和深厚的友谊,还意味着一场豪赌,一条少有人走的创新之路。

命运总是嘉奖勇敢者。

2004年,ASML全力赶出了第一台浸润式光刻机样机,波长132nm,力压尼康的157nm。

2007年,在原有光源与镜头的条件下,ASML又显著提升蚀刻精度,继而拿到60%的光刻机市场份额,首次超过尼康。

如果传奇的第一篇章彰显了技术突破与创新魄力的重要,而接下来,ASML在EUV光刻上的赫赫战果,更说明合纵连横,合作共赢的战略意义。

ASML最先进的EUV光刻机,涉及上游5000多家供应商,3万多个零部件90%需要进口,想要浇灌出这株盛放在荷兰的技术之花,既需要德国的光学设备与超精密仪器,也需要美国的计量设备与光源……

对高科技密集的半导体行业来说,自己爬山不太现实,想要赢者通吃,就要伴随不断的并购与联盟。

收购全球领先的准分子激光器厂商Cymer,为光源技术提供保障;收购电子束检测设备厂商汉微科,为先进工艺提供了晶圆缺陷检测技术支持;收购德国卡尔蔡司子公司24.9%股份,布局微影镜头关键技术;收购竞争对手Mapper的知识产权资产顺便接受优质人才……

不仅如此,ASML还超越尼康,加入了EUV LLC联盟。

EUV LLC联盟的诞生也与光刻机光源波长193nm难题息息相关。

这是一家由英特尔攒局,美国能源部牵头,汇集了摩托罗拉、AMD、IBM,以及能源部下属劳伦斯利弗莫尔、桑迪亚和劳伦斯伯克利三大国家实验室的真正的高级玩家聚会。

有多高级?其中三大国家实验室就堪称美国科技发展的幕后英雄,研究成果包括核武器、超级计算机、国家点火装置……覆盖物理、化学、制造业、半导体产业等各种前沿方向。

押注更激进的极紫外技术是EUV LLC联盟的目标,用仅有十几纳米的极紫外光,刻十纳米以下的芯片制程。

但EUV光刻机几乎集成了人类精密制造的技术极限,联盟必须从尼康和AMSL这两家当时发展最好的光刻机企业中,挑选一家进行吸纳,担忧吸取了精良技术的日本企业未来将压过美国,联盟最终选中了ASML。

由此,ASML获得了世界领先的半导体技术、材料学、光学以及精密制造等相关技术的优先使用资格。“单打独斗”行不通了,属于尼康的时代悄然过去,而汇集了资金、技术与人才,集制造业全体智慧精华于一身的,则被世界级先进的工业体系托举而出。

03

除了科技,还有故事

ASML的成就,既是荷兰半导体产业创新突围的结果,也是全球科技高度分工的结果。

为大众所熟知的ASML企业史往往从以上两段开始,但罗马并非一日建成。讲成功史只从后半段风光史讲起的不免让人“干着急”,只能仰视崇拜,但却没法借鉴学习。

在ASML成立三个十年中,第三个十年,他登上山顶,藐视群雄;第二个十年,他狂甩对手,垄断市场;而第一个十年,因何决定去开启传奇,以及如何艰难爬坡,九死一生中,才真正隐藏着奠定胜利的绝密基因。

为什么要做光刻机?没人能想到伟大或许诞生于一次打赌。

ASML脱胎于大名鼎鼎的飞利浦公司,一次,有人前往美国考察,回来时带来一颗“芯片”,面对这颗来自美国的芯片,飞利浦人感到遗憾——错失了与世界先进技术同步发展的机会,他们下定决心“要放下一切工作,集中精力投入集成电路的技术研发”。

但一开始,飞利浦只投入到电路技术研发,并没打算自造光刻机,毕竟购买其他公司的成品光刻机足够可行方便。

不过伴随着芯片的更新,其他公司的成品设备既不够精准,也过于耗费人力。因此,飞利浦的半导体和材料部 Elcoma 的技术经理定期与前沿技术研发实验室Natlab 的领导时常聚在一起聊天,讨论这些难题。

再一次,当Natlab的研究人员“吹嘘”他们的静压轴承和气动技术时,Elcoma掩模中心的主任“刻薄”接茬,技术这么强,也并不能用来制造那些生产芯片的机器啊?Natlab听到后,自然是一顿争吵,但争吵之后,两个部门更达成约定——合作制造一台光刻机。

1967 年,研究人员就在公司内部的展览中展示了6 镜头重复曝光光刻机的原型,这台光刻机吸引了若干围观群众,连飞利浦的时任董事会成员都被吸引而来。但还没来得及听完主讲人的介绍,下一个展台又吸引了董事的注意——一台带有自动平衡系统的新型洗衣机。

和用来制造电脑芯片的复杂尖端设备相比,一款流水线上可以批量生产上万台的普通洗衣机,对飞利浦高管来说更有吸引力。

在很长一段时间内,光刻机项目都被飞利浦内部认定——没发展没前途。“放弃吧,别再烧钱了”是项目组同事最常听到的话。

但又是什么样的人在为彼时看起来“一片晦暗”的光刻机付出青春、汗水与智慧?

听起来也颇有传奇色彩:

工程师克洛斯特曼小时候是位失读症患者,阅读和数学对他来说都是难题,但长大后,失读症奇迹般地痊愈;光学工程师梅耶,这是位足够幸运的男青年,经历过第二次世界大战,两次从斯维辛集中营逃脱。第一次被送入集中营时,因为运气好躲过一劫,第二次被送入时,因为擅长机械而被派去修理火车车厢,这还不算完。第一次即将被送进毒气室时,被德国纳粹漏掉,第二次又被及时赶到的苏联红军搭救。差一点成为胶、化肥或鞋油,病重、像铅笔那么瘦的梅耶返回荷兰,开始了一生的光刻机事业……

除此之外,光刻机的系统架构师范希克是位热衷于留披头士发型,觉得向领导做季度总结写两个句子以上都浪费时间的富二代;研发了一种精确度最高的对准技术的工程师布休斯一度没上过大学,在卖酒的商店洗过瓶子算过账,从被聘为飞利浦的一名助理,脚踏实地做到了顶尖工程师……

正是这些人在暗夜中前行,撑着如烛火一般微弱的光刻机项目,直到在一个恰当的时机,飞利浦遇到业内的另一位传奇人物,荷兰半导体设备开创者德尔·普拉多,1984年,ASML成立。

那么,究竟经过哪些博弈,飞利浦才与传奇大佬德尔·普拉多奠定合作?

这位号称不“做”生意,本人就是生意,靠魅力、野心和无畏经营公司的人为了获得飞利浦的关注,除了登报求关注,还如何奇招频出?

这样注定不凡的企业,首任首席执行官又是何等人物?这个永远不按常理出牌的人是如何领导着“奇奇怪怪”的员工们,在企业还是一堆烂摊子时就许下“我们一定要做第一名,不然就别做了”的flag?

但如此有领导力的管理者,为何离职时只收到所有员工“80块钱”的离职红包?

除此之外,ASML创业的前十年,是彻彻底底烧钱的十年,动不动需要一个亿美金,到哪去找投资?

在极度缺钱时,如何坚定信心,继续烧钱技术创新?

如何鼓舞士气,给员工“画饼”,招兵买马选择合适的人才,寻找客户、盟友以及政府的支持?

有一些出奇制胜的“创意”:分拆式研发,因地制宜式工作,以及智慧营销为产品赋能……

甚至,还有一些可以称为机遇的时刻,芯片市场的衰退乃至崩溃,为何造就了ASML的黄金喘息时间?甚至,客户的工厂被烧了,导致对方需要重新下单,新销量成了ASML的及时雨。

这些独家历史,如今首次披露。

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