没有他就没有ASML,昔日“弃子”是怎样逆袭成光刻机“霸主”的?

电子达人科技谈 2024-06-19 08:58:17

当地时间6月11日,荷兰媒体《埃因霍温日报》报道,光刻机巨头ASML(阿斯麦)创始人之一Wim Troost(维姆・特鲁斯特)于6月8日离世,享年98岁。

ASML在领英上发布悼文表示:“我们的创始人之一Wim Troost去世了。在1987年至1990年期间,他担任首席执行官,当时ASML正在努力争取第一个客户。退休后,Wim仍然是ASML和高科技产业的真正大使。他激励了后世的许多人。我们感谢Wim为ASML的DNA和强大的公司文化所做的贡献,以及他的领导能力、毅力和远见。我们向Wim的家人表示哀悼。”

ASML在社交平台X上发文悼念Wim Troost:他的远见、领导力和毅力鼓舞了许多后辈。

40多年前,尚未诞生的ASML还只是飞利浦公司科学与工业(S&I)部门里一个不起眼的小项目——PAS2000(飞利浦自动晶圆步进机)。飞利浦曾因公司自身财务状况欠佳、迟迟没有订单而不止一次想要终止这一项目。

时任S&I副主任的Wim,是当时晶圆步进机的开发人员,他也是在管理团队会议上唯一一个对步进光刻机有兴趣的人,正是他坚持顶着众人反对的压力,利用个人可自由支配的预算维持着项目生命,才使得这一项目找到合作伙伴ASM,才有了如今的ASML。

可以说,是Wim拯救了晶圆步进机,并带领ASML走过至暗时刻,他在ASML公司的创立、崛起过程中起到举足轻重的作用。

当地媒体《维尔德霍芬周刊》对他评价道:“你可以有把握地说:没有Wim Troost,就不会有ASML。”

成立至今40年的ASML,已是全球光刻机市场的主导者,是欧洲市值最高的科技公司,市值达到4141亿美元。除了创始团队的不懈坚持之外,ASML还做对了什么,能够一步步从一个几乎被抛弃的小项目成为如今全球光刻机巨头?

本文接下来将对ASML EUV光刻机进行“拆解”,并对ASML的成长逆袭史进行简要梳理,以此更全面地了解ASML如何做到光刻机霸主地位。虽然它的成功不能复制,但他山之石可以攻玉,正处于寻求国产化替代的我们,或许可以从它的故事借鉴一二。

集全球尖端科技于一身的EUV

90%零部件来自外购

EUV光刻机,也称为极紫外光刻系统,作为半导体芯片制造流程中投资最大、技术难度最高的设备之一,不断地挑战着物理极限和人类工业制造的极限,它的研发难度完全不亚于航空发动机和原子弹,因此也被誉为半导体工业“皇冠上的明珠”(航空发动机则被誉为“现代工业皇冠上的明珠”)。

ASML工程师称,EUV光刻机可能是人类迄今制造的最复杂最精密的机器之一。有多精密呢?它的工作,相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光,在晶圆上绘制电路,能够让指甲盖大小的芯片,包含上百亿个晶体管。

虽然半导体芯片的制造通常包括八大工艺——晶圆清洗、光刻、刻蚀、薄膜沉积、扩散、离子注入、机械研磨、金属化,其中每一步都不可或缺,但光刻这一步,可以说直接决定了芯片的集成度。

具体来说,光刻类似于照片冲印技术,利用紫外光线,把掩膜版上的精细电路图,曝光打印到硅片上,因此光刻机也叫掩膜对准曝光机。“打印”的电路图精细度越高,同样大小的晶圆就能容纳更多元件,从而大幅降低芯片成本。

根据公开资料,一台EUV光刻机一共由超过10万个零件组成,重达200吨,运输它需要3架波音747货机、40个货运集装箱和20辆卡车,将其小心翼翼运输至fab后,还需要半年至一年的时间进行安装调试,才能正式运行。

这样一台庞大且复杂的EUV光刻机,售价也相当昂贵,大约为1.2~1.5亿美元,且价格还在不断上涨,其最新一代用于生产2nm芯片的High-NA EUV光刻机,售价预计达到4亿美元(约合人民币27亿元)。

一台EUV工作一天大概需要耗电3万度

但即便EUV售价如此高昂,却仍然订单不断根本不愁卖。据电巢了解,目前ASML无论是DUV还是EUV,都已售罄,现在下单的话,要等到2025年之后才能交付。

可以说,先进光刻机的出现,让人类得以不断挑战芯片制造工艺的极限,让摩尔定律得以不断延续。台积电、三星等芯片代工巨头正是依赖于它,才能够不断突破制程极限,实现7nm、5nm、3nm甚至2nm芯片的量产。因此,全球独此一家的ASML EUV,从诞生起就不担心没有市场。

但是,ASML能够拥有如此称霸全球的绝技,至今垄断着EUV市场,其实并非仅靠一己之力,它的背后集合了全球数千家公司最顶尖的智慧与技术。

据调研,ASML 90%的零部件都来自于外购,ASML只负责掌握最核心技术及集成。根据其公布的最新资料显示,公司供应商多达5000家,主要是来自美国、德国、日本、韩国、中国台湾和荷兰本土的企业,其中美国厂商数量最多。

具体分布为:来自荷兰本土的供应商大约有1600家,占比32%左右,来自北美和亚洲的供应商分别约1350个,占比各27%,来自EMEA地区(欧洲、中东和非洲)的供应商大约有700家,占比14%左右。

很遗憾的是,这5000家供应商,没有一家来自中国大陆

所有的零部件中,最核心的组件为光源和镜头,其中,激光光源的独家供应商为美国Cymer(被ASML于2012年10月收购,以加快EUV的研发进度);镜头供应商为德国卡尔蔡司(Carl Zeiss )。

另外,浸没双工作台供应商为ASML和台积电;光学组件来自德国的陶瓷和光学模组制造商Berliner Glas(ASML为了巩固关键部件的供应,已于2020年收购了该公司);精密加工由德国Heidenhain(海德汉)负责,以及日本KYOCERA(京瓷)也为其提供零部件。

2016年,为了克服10nm以下先进制程良率控制方面的问题,ASML又收购了电子束晶圆检测设备供应商Hemes Microvision(HMI,中文名汉微科),进一步扩大了供应商版图。ASML部分供应商名单如下:

虽然ASML公开资料中显示没有中国大陆供应商,不过根据一些企业自己公布的信息来看,实际上大陆也有少数企业与ASML有着直接或间接的合作,但可能所占份额较小,或所提供零部件并不是关键组件,可替代性较强,因此未引起重视。

值得一提的是,2023年2月2日,中国湖南凯美特气特种气体公司被ASML子公司Cymer列入合格供应商名单,这意味着凯美特气进入了ASML供应链,说明其在光刻气生产领域的生产能力、产品质量得到了认可。

通过ASML供应商拆解,我们看到,ASML实质上就是一个集成商,但它掌握着光刻机最核心的技术。同时为了巩固自己的霸主地位,它还在不断进行收购,已将全球该产业链中最顶尖的企业几乎都纳入自己麾下,形成利益共同体。其它光刻机企业想要再造出能与之匹敌的EUV光刻机,短时间内仅凭一己之力恐怕很难实现。

40年前是摇摇欲坠的“弃子”

如今掌握世界先进芯片命脉

纵观全球光刻机发展史,1984年才成立的ASML,入局已经比当时的光刻机巨头尼康、GCA等晚了10-20年,但它却在30多年时间里实现从一无所有到一方霸主的逆袭,可谓业界传奇。

通过它的逆袭史,我们发现,ASML的成功离不开三大因素——技术、资金以及技术背后的人。

自1978年开始,飞利浦内部就不止一次想要终止对光刻机项目的支持,尽管当时Wim单枪匹马地维持着项目生命,但光刻技术开发时间长、成本高,他仍然数次被公司告知:“停止使用那台该死的光刻机。”他意识到,拯救光刻机业务的唯一出路,是找到一家公司合作。

但当时美国光刻机巨头Perkins Elmer、GCA等都不愿意接管这一项目,直到1984年,在Wim坚持不懈地努力之下,终于促成飞利浦与荷兰半导体设备制造商ASM International公司的合作,ASML自此成立。

ASM创始人普拉多(Athur Del Prado)对于光刻机有着坚定的信念,他对ASML的成功也功不可没

虽然是飞利浦旗下的合资子公司,但ASML成立之初却很不受重视。公司当时的办公地点设在飞利浦门口的一个简易板房里,房顶漏水,门口还放着一个巨大的垃圾箱,办公环境可以说十分恶劣了。更惨的是,当时公司市场份额为0,账户存款空空,被调侃为“买杯咖啡就会破产”的公司。

ASML成立初期的办公室

那时候,ASML的创始团队根本不会想到,30多年后,公司会成为半导体光刻领域无可替代的老大哥。

当时的光刻机市场,属于美国GCA、Perkins Elmer、日本尼康、佳能等几家公司,尤其是尼康,发展势头强劲,在1985年正式超过GCA,成为业界第一大光刻机供应商。那时才刚刚诞生的ASML,完全无法望其项背。

成立后的前几年,ASML都不曾盈利,飞利浦一度对其失去信心。而ASML第一任CEO贾特·斯密特(Gjalt Smit)对技术的一次敏锐预判,改变了公司无人问津的局面。

斯密特在ASML只供职三年便离开,但他对公司的影响一直延续至今

斯密特从一次SEMICON West大会上回来后断言,从大规模集成电路(LSI)到超大规模集成电路(VLSI)的一步显然就在眼前,显然芯片的晶体管尺寸将缩短到1/1000毫米以下,光刻机也不再处理4英寸晶圆,而是转向6英寸。

在这种变化下,产业需要全新一代的光刻机,下一代光刻机必须可以将0.7微米的细节成像到晶圆上,并实现更紧密的微电子集成,但是目前没有人能做成这一套光刻解决方案。

斯密特坚信ASML取得突破的机会来了。但留给他们的时间并不多,必须争取在两年时间内造出新一代光刻机,否则市场很快就会被其它巨头瓜分。

如何在如此短的时间里完成,斯密特选择了一个大胆激进的方式——公司只进行研发和组装,具体模块分包给合作伙伴。他把光刻机拆分成各个模块,专业团队并行开发每个模块,每个模块都有自动通信接口,最终模块组装成整个光刻机。这种模块化研发安排,大大提高了效率。

他们还与合作商建立深度合作关系,及时沟通,打通整个产业链,快速高效运转。

两年后,他们成功推出了第二代产品电动晶圆台光刻机PAS 2500(此前第一代产品步进式光刻机PAS 2000,仅有飞利浦自家友情支持购买了几台),并卖给了美国当时的创业公司赛普拉斯(Cypress),今天的Nor Flash巨头(2022年被英飞凌以101亿美金收购)。

ASML公司对PAS 2500的介绍

1987年,台积电向ASML下单了17台PAS 2500,这一个大订单,让ASML实现了扭亏为盈。在这一时期,Wim Troost也发挥了关键作用,他帮助公司努力争取第一个客户,带领ASML度过摇摇欲坠的至暗时刻,为其之后的发展奠定了基础。

此后十多年时间里,ASML从最初无人问津的小透明,成长为台积电、IBM等公司的供应商,但尼康仍然是横在他们面前的一个强大对手,因为惯性,英特尔、IBM还是更青睐于尼康的设备。想要完全战胜尼康,实现逆袭,当时看来还很难。

而ASML很幸运也很有决心,抓住了下一个弯道超车的机会——加入EUV LLC联盟和选择浸润式光刻机赛道。

20世纪90年代末,市面上的光刻机波长停留在193nm,止步不前,干式193nm光刻机的极限工艺是65nm,如何进入40nm工艺,是每个光刻机厂商面临的难题。

当时,业界提出了各种方法,英特尔则坚定地选择了EUV方法,它和美国能源部牵头,与AMD、摩托罗拉等于1997年组成EUV LLC联盟,验证EUV光刻机的可行性。而将理论变成产品的重任,则被ASML坚定地包揽了过去。

之后的研发过程中,ASML又一次做出与众不同的选择——放弃大家都在研究的干式光刻技术,把“赌注”全部押在了台积电工程师林本坚提出的“浸润式”光刻技术上。

所谓“浸润原理”就是在晶圆光刻胶上方加一层水,水的介质折射率是1.44,因此193nm/1.44≈134nm。因此在不改变光刻机波长情况下,变相扩大了NA,使得193nm波长的能等效出134nm的波长。

之后的几年里,ASML开始紧锣密鼓地研发新设备,并在2004年正式推出浸润式光刻机的原型机。

2006年,ASML的XT 1400i进入英特尔并顺利通过40nm工艺的验证,获得了英特尔的大订单,之后一路高歌猛进,相继签下其它大厂商。

2006年,ASML推出的浸润式光刻机原型机

到了2009年,ASML就已经拿下70%的市场份额,当初的龙头老大尼康,则快速败退,只剩下30%的份额。

此后,ASML越战越勇,一路走向全球EUV光刻机霸主地位。2012年,它又请英特尔、台积电和三星入股公司,以获得更充足的资金进行设备研发与生产。得到三大巨头的资金支持,ASML没有了资金链断裂的顾虑,才有了“花最多的钱,制造最尖端的机器”的底气。

按照ASML自己的说法, EUV真正取得成功是在2018年。它的客户英特尔、三星、台积电,愿意花数十亿美元来购买EUV。说明大家已经开始完全信任EUV技术。

2019年,第一款支持EUV的商业产品发布(三星的Galaxy Note10和Galaxy Note10+智能手机)。2020年开始,ASML的EUV正式进入量产,同年12月,ASML庆祝了第100台EUV出货。

公司员工庆祝第100台EUV的交付

截至 2021 年底,ASML共有127台最新一代EUV光刻机为其全球客户所用。这些“印钞机”一般的机器,为公司带来了上千亿人民币的营收。

ASML的逆袭之路,可谓跌宕起伏,它曾一次次受到行业巨头的轻视,一次次走在破产关停的边缘,但它又一次次地坚定信心,鼓起勇气去寻找机会、去创新、去突破。

当下的中国半导体产业,也正如最初的ASML一样在夹缝中求生,但我们相信,凭借国家政策、资金与人才的力量,我们也会一步一步攻克难关,书写属于我们的传奇。

目前上海微电子已经制造出用于生产90nm制程芯片的光刻机,28nm也正在研发中。给中国企业以时间,我们与国外厂商之间的差距终将一步步缩小,半导体工业皇冠上的明珠,也终将为我们所摘取。

参考资料:

金捷幡:《光刻机之战》

《ASML的登峰之路,给你带来不一样的光刻机故事》

界面新闻:《曾参与创立光刻机巨头ASML的人离世了》

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