中国芯片业为什么搞不过一家荷兰公司
科技

中国芯片业为什么搞不过一家荷兰公司

2021年01月23日 11:05:09
来源:市界

图片

作者|杨逍

荷兰光刻机巨头阿斯麦(ASML)1月20日发布了2020年Q4和全年财报,这位世界光刻机霸主去年共出货了31台EUV光刻机,中国大陆由于种种原因没有买到其中任何一台。

有人说阿斯麦是唯一一个能让台积电折腰的公司,这一点也不夸张。阿斯麦所生产的光刻机,是半导体工厂生产芯片的最关键工具。毕竟,没有刀,再好的师傅也雕不出来花。

如果有任何厂商的光刻机设备需要维修,阿斯麦的工程师从登上飞机那一刻,厂商就要付给他们以小时计的美金。

曾经,某上市公司的光刻机出问题后,排了3年队才等到阿斯麦的工程师。结果阿斯麦的工程师们来了一看说,放太久了,与其维修,还不如买一台翻新的二手机,才2000多万美元。就是这么牛气。

阿斯麦脱胎于飞利浦,到成立时一台光刻机都没有卖出去,是行业倒数第一。员工只等着公司倒闭重回母公司飞利浦的怀抱;公司常年缺钱,银行账户经常只有5位数余额。

克服种种困境后,它的幸福也来得很快。成立11年后上市,随后被美国最强大的科技联盟之一选中入伙,和英特尔等公司深度绑定。阿斯麦拿着客户的钱,研发出了最强的EUV(极紫外线)光刻机,至今没有第二家公司能和它抢高端光刻机市场。

了解这位世界顶级光刻机霸主的崛起过程,能更清醒地审视,我们应如何去追赶。

被扔出飞利浦

阿斯麦诞生于飞利浦物理实验室(简称Natalab)和飞利浦科学与工业部(简称S&I),曾是一群天才科学家手上的玩具。

芯片制造的曝光-刻蚀过程与冲印照片原理类似,也有人形容像雕刻,只不过光刻机雕的是芯片,“刀”是光。光刻机的工艺决定着芯片的尺寸和性能,是生产半导体芯片最重要的设备之一。

飞利浦相信,随着芯片行业蓬勃发展,光刻机会是最有价值的合法印钞机。

但20世纪70年代,荷兰经济衰退,出现经营危机的飞利浦丧失了孵蛋兴趣,想要将这个烧了上亿美元的项目剥离出去。

当时负责光刻机项目的特罗斯特,找了3家公司谈光刻机项目的合资事宜,都以失败告终。

就在特罗斯特丧失希望的时候,荷兰的半导体设备制造商ASM国际公司出现了。

ASM的首席执行官德尔·普拉多一直很希望和飞利浦这家巨头搭上关系,曾数次拜访飞利浦而不得。

德尔·普拉多是一个非常有野心的男人,善于利用机会,不惧风险。一个敢买,一个想卖,交易很快达成。

1984年,S&I与ASM成立合资公司阿斯麦,双方各占50%股份。

ASML 阿斯麦光刻机

飞利浦和ASM原本约定各向合资公司注资210万美元,但刨除价值180万美元的17台光刻机和其他库存后,飞利浦只给阿斯麦账户转了30万美元。

当时,光刻机市场有10个玩家,既有占据较大市场份额的美国GCA和Perkin-Elmer,也有正虎视眈眈的新秀日本尼康和佳能,阿斯麦垫底。

没有人看好阿斯麦。

有分析师公开表示,ASM和飞利浦的合资企业注定以失败告终,飞利浦拥有世界上最先进的“步进光刻机”技术,却根本不知道该用光刻机做什么。

从飞利浦调往阿斯麦的47名员工认为,他们只是光刻机市场的笑话,要做的,只是静待阿斯麦倒闭,在4年之内,收拾行李重回飞利浦怀抱。

阿斯麦的首任首席执行官贾特·斯密特是一位敏锐的科学家,他听完各类不利消息,反倒对阿斯麦有信心。

在他看来,阿斯麦的光刻技术领先时代,其对准技术非常先进,“电动晶圆台”会成为阿斯麦独有的卖点。

只要再具备优秀的光学元件,阿斯麦就可以创造出世界级的产品。对准技术、晶圆台、光学镜头三大零部件,未来也将成为阿斯麦产品的利器。

此外,在摩尔定律下,每隔18个月,集成电路上可以容纳的晶体管数目就会增加一倍,这就需要生产芯片的光刻机保持迭代。

更妙的是,当时正值半导体行业技术变革期,制造商正寻求从大规模集成电路(LSI)向超大规模集成电路(VLSI)转变,光刻机也将迎来一次大的技术更迭。

斯密特相信,只要能在两年内制造出一台满足制造商需求的新设备,阿斯麦就可以实现弯道超车,成为行业内第一。

毕竟,在新技术面前,所有玩家站在同一个起跑线上。

自此,阿斯麦夺命狂奔推新品的上半生,开始了。

连工资都发不出来了

1984年,阿斯麦开始研发这款承载了公司所有希望的产品:PAS 2500。

斯密特初步估计,它需要1亿美元研发资金。而两家母公司只答应各增加150万美元的投资,剩下的要自己想办法。

而阿斯麦活下去的第一步,是拿下飞利浦半导体和材料部(以下简称“Elcoma”)的订单。拿下Elcoma的订单,就相当于拿到了母公司飞利浦的站台。

肥水不流外人田,Elcoma很给面子地下了订单,但要求阿斯麦必须在1986年4月1日前交付第一台PAS 2500。Elcoma高管表示,“不能晚一天,否则,我就会选择尼康。”

二十世纪八十年代,尼康迅速崛起,相较于美国光刻机龙头GCA,尼康的光刻机性能更稳定。1982年时,GCA还在日本市场占有95%的市场份额,到1983年已经降低到45%,绝大部份市场由日本尼康获得。

此外,将新光刻机产品送去美国SEMICON West展会参展,打出阿斯麦的名声,也是必须要做的一步。

但这意味着,阿斯麦需要在1986年4月和5月,分别交付一台PAS 2500。研发时间,要从2年缩短至18个月。

斯密特要求PAS 2500必须在1986年1月1日拿出原型产品,否则,订单将无法交付,公司也会完蛋。

崇尚享受生活、到点下班的荷兰人,显然没有中国人民的那种勤劳,1986年1月新年后,PAS 2500依旧没有组装完成,并预计要到5月才能完成研发。但这将完美错过上述两个重要日期。

斯密特暴跳如雷,直接裁掉了PAS 2500项目研发团队的负责人,换成了两个年轻人,其中一个仅18月工龄。

这两个给力的年轻人,最终使阿斯麦在规定期限内交付了两台PAS 2500。

PAS 2500还在5月的美国SEMICON West展会上打出名声,不但拿下了4台PAS 2500的订单,还获得了同行的认可。

展会上,阿斯麦一位工程师跑了一圈竞争对手的展位,结果得到参会同行们的一致回答:“最好的光刻机产品是我们,而第二好的是阿斯麦。”

虽说在光刻机市场上有了一点名声,可阿斯麦的日子并没有因此变得好过。

原因是太穷。

1984年至1987年3年间,整个光刻机行业正遭遇洗牌。1986年,10家光刻机公司中有3家退出市场,剩下的7家供应商,也将在接下来几年陆续出局。

昔日光刻机龙头GCA濒临破产,已经到了要用其所持有的蔡司股份来支付蔡司镜头费的地步了。

2019进博会:德国蔡司展台上的显微镜

蔡司是德国最好的光学仪器厂商,GCA的光刻机采用的就是蔡司的镜头。未来,蔡司将成为阿斯麦的专属供应商。

行业动荡影响了阿斯麦。

1986年,本预定了阿斯麦一半订单的美国半导体公司AMD,在最后关头撕毁合同,让阿斯麦创纪录地亏损超过1400万美元。

次年,光刻机行业低价倾销、产能过剩,阿斯麦还不得不降价销售产品,利润又受到影响。

同期,母公司ASM也遭遇危机,1986、1987两年分别亏损了2500万美元和2300万美元。

ASM首席执行官德尔·普拉多正为财务状况焦头烂额,阿斯麦的斯密特却对支出超出预期不以为然,觉得这是阿斯麦成为行业第一所要承受的。

付钱的人和花钱的人冲突越来越大,普拉多反复说“我是写支票付钱的人”,斯密特则回敬“这是我的策略,接不接受随你”。

最终,斯密特在1987年任期结束后离开了阿斯麦;母公司ASM则因财务状况,退出阿斯麦股东行列,它投入的3500多万美元也打了水漂。

飞利浦接手了ASM在合资公司中的股份和债务。

而阿斯麦,在1988年春天用完了2500万美元的全部信用额度,连发工资的钱都没有了。一度连续三个月临发工资时,阿斯麦的财务总监都要跑到飞利浦乞讨,求来130万美元员工工资。

此时的阿斯麦,离死亡只有一线。

转机出现

斯密特虽然为这家公司注入了成为行业第一的梦想和不计成本追求产品迭代的基因,但是他太能烧钱了,阿斯麦急需一个能让公司转亏为盈、推动公司步入正轨的人。

特罗斯特就是因此被骗过来当CEO的。1987年,他本打算与妻子开始一场长途旅行,却被飞利浦的老上司哄过来当代理CEO,老上司一直在说“新CEO马上就来”,可继任者遥遥无期。发现自己被骗的特罗斯特,在愤怒中提出了人生中第一次升职要求:成为阿斯麦的CEO。

特罗斯特的任期只有一年半,对阿斯麦而言,他是一个重要的过渡人。

他改变了斯密特时期阿斯麦花钱如流水的习惯,节省一切可节省的成本;调低公司生产计划,将1988年预计生产80台机器调整到60台;在他任期内,阿斯麦实现首次盈利,虽然这只是一个意外。

1988年年底,成立不到2年的台积电的工厂被烧,台积电不得不向阿斯麦增订了17台光刻机,这为阿斯麦带来大笔营收。

特罗斯特对阿斯麦的另一个重大贡献是,他主导阿斯麦研发了一款新产品:PAS 5500。这台机器能同时满足美国市场、日本市场不同客户的需求;还能像积木一样,进行模块化的组装,并且适应、加载未来5年内的新技术。

PAS 5500项目后来成为阿斯麦第一款有行业影响力的产品,但PAS 5500仍差一点将阿斯麦拖垮。

这个项目需要50名工程师共同进行研发。此外,还要对生产、物流、服务部门进行改造。而从1984年成立开始,阿斯麦银行账户上常常只有5位数现金,需要支出的钱是却账户余额的十倍。

阿斯麦需要客户,需要钱。接任特罗斯特岗位的马里斯,就是在这个时候出现的。

1990年年初,马里斯刚刚接任时,来自飞利浦的阿斯麦员工们非常担忧,这位新领导喜欢冥想、以避免冲突闻名。

他是否具备带领阿斯麦打赢与厂商的能力?

事实证明,马里斯身上的亲和性正是阿斯麦所需要的。

比如拿下IBM订单的那场漂亮仗。

美国IBM研究总部

IBM很好看PAS 5500,并且它即将花 10亿美元购入新的机器。两家公司交流许久,阿斯麦本打算向IBM展示PAS 5500的10个子系统,再史无前例地将所有模块组装起来,形成一台光刻机,好一举震住IBM,拿下订单。

1991年,受国际形势影响,IBM的美国员工无法乘坐飞机抵达荷兰。这个订单眼看要泡汤。

项目经理范登克林怒骂:“我们完蛋了,那些官僚不允许他们出差。”

阿斯麦用摄像机拍下预备向IBM展示的内容,然后通宵将视频内容剪出来,第二天一早乘飞机前往位于纽约州阿蒙克市公司的IBM,试图尽最后的努力拿下订单。

IBM的人被纪录片里这台可拆解的机器震撼了,“可拆解光刻机”能帮IBM省一大笔钱,当光刻机的一个零部件坏了以后,他们不需要将整台机器停产维修。

阿斯麦如愿签下了这个10亿美元的订单。

马里斯还擅长建立关系和沟通,为阿斯麦免于很多谈判摩擦。他会去三星那里,听客户公司刚满25岁的员工抱怨机器问题,并竭力解决这些问题。

此外,马里斯让阿斯麦和其“物镜系统”供应商蔡司的关系在1993-1998年得到长足发展。

“物镜系统”是阿斯麦光刻机的核心零部件之一,蔡司的镜头直接影响光刻机产品的效果。

蔡司成立于1846年,是德国的光学仪器厂商。当蔡司原大客户GCA因经营问题垮了以后,阿斯麦抓住机会成为蔡司该领域的大客户。

但蔡司一直采用传统手工生产,随着阿斯麦对镜头精度的要求提高,产品质量不稳定、产能不足的蔡司镜头,逐渐成为阿斯麦光刻机产品的瓶颈。

1994年,岌岌可危的蔡司,终于决定对产线进行自动化改造时。为了不让蔡司拖阿斯麦后腿,阿斯麦母公司飞利浦前后借给了蔡司3900万美元改造产线。自此,阿斯麦与蔡司形成深度合作关系。

此后,当蔡司出现服务其他公司迹象时,马里斯就会展现“外交才能”,要求蔡司只能向阿斯麦供货。

阿斯麦还拿下蔡司半导体光学部门24.9%的股权。

与供应商和客户建立了紧密联系的阿斯麦,在产品销售上也取得长足进步。1993年,阿斯麦盈利1100万美元;到1994年,其净利润超过2000万美元。

1995年,阿斯麦终于在美国纳斯达克和荷兰的阿姆斯特丹交易所上市,从成立算起,历时11年。

封神之战

美国是半导体的发源地,从晶体管到微处理器,再到DRAM(一种半导体存储器)和非易失性储存器,都是美国公司的产物。

20世纪60年代和70年代初,美国一直是芯片市场的霸主。但到80年代,日本凭借DRAM成功崛起。美国的光刻机产业随着半导体主要市场的变化遭受重击——GCA落寞,尼康壮大。

但美国并不愿意拱手将光刻机市场让出。

五角大楼的工作人员表示:“这是我们不能失去的东西,否则我们会发现自己要完全依赖海外制造者来指导对我们来说最敏感的东西。”

这种意识确实超前。

为了把最先进的技术留在美国,1997年,英特尔和美国能源部牵头成立了的EUV LLC联盟,希望能研发出EUV(极紫外线)光刻机,重拾半导体制霸权。

这个联盟有美国能源部及其下属三大国家实验室,还有英特尔和摩托罗拉、AMD、IBM等科技公司。

美国人还需要挑选一个光刻机公司加入联盟,尼康和AMSL都是不错的备选。美国人显然不可能选用崛起中的日本企业,给自己制造麻烦。

于是,较为弱势的阿斯麦成功入伙。

作为回报,阿斯麦将替美国把光刻机龙头的桂冠从尼康头上摘下。

阿斯麦用了两场战役,彻底将尼康踩在脚下。

第一个关键的技术节点是:阿斯麦与台积电工程师林本坚合作,用后者推崇的“浸润式光刻技术”突破固有的制程限制。

林本坚曾前往日本宣传该技术,但尼康等厂商并没有接受他的方案。当时市面上的光刻机都是干式的,没有谁用液体做光刻机。

2004年,阿斯麦和台积电合作一年后,推出了第一台浸润式光刻机样机,波长能达到132nm,率先攻克芯片制程卡顿,并一举拿下IBM和台积电等大客户的订单。

尼康虽然很快也推出了干式微影光刻机产品,但其光源只能做到157纳米,显然阿斯麦更胜一筹。

到2007年,阿斯麦的光刻机市场份额已达到60%,首次超过尼康。

而真正让阿斯麦封神的,还是独门的EUV(极紫外线)光刻机。

这项技术的突破,离不开强大的盟友们。

EUV联盟的几百位科学家,发表了大量论文研究EUV技术。身处其中的阿斯麦,能最先了解EUV最新研发成果,也拥有美国最领先的半导体技术、材料学、光学以及精密制造等技术的优先使用权。

作为交换,美国政府拥有对阿斯麦生产的监管权限。这也是为何今天美国会对阿斯麦有巨大话语权的原因之一。

EUV联盟在2003年认为理论工作已经完成,便在当年解散。所有的技术成果都由阿斯麦掌握,但直到2015年,阿斯麦才将EUV光刻机做到量产。

中间,因为美国顶级光源企业Cymer一直搞不定EUV所需光源的研发,阿斯麦就在2012年将该公司收购了,投入重金全力研发EUV所需的光源。

资金不足时,阿斯麦就从客户手里掏钱。

2012年,阿斯麦提出“客户联合投资计划”,拿出25%的股份邀请主要客户做联合投资,股东将拥有优先订货权。

英特尔、三星、台积电三家公司凑了52.29亿欧元,支持EUV光刻机的研发,分别拿下了15%、5%、3%的股份。

2020进博会:三星展示了最新5纳米EUV(极紫外光)工艺制作的晶圆

经过10年的研发,阿斯麦将EUV做到可量产,成为全球唯一一家具备推出光刻机产品的公司。

尼康其实也懂EUV技术,但直到现在,它的EUV光刻机只能在实验室跑起来。

自此,阿斯麦稳稳成为半导体光刻机领域的霸主,无可撼动。

中国的光刻机之路还很长

2021年1月20日,阿斯麦公布了2020年Q4和全年财报。

阿斯麦全年净销售总额为140亿欧元,约合1100亿元人民币;净利润35.54亿欧元,约合279.2 亿元人民币;毛利率48.6%。

要知道,2019年中芯国际的营收才201.79亿元人民币,净利润15.20亿元人民币,毛利率仅为20.6%。

2020年,阿斯麦全年共交付31台EUV光刻机,总价值354.29亿元人民币。

据接近阿斯麦的人士透露,阿斯麦的EUV光刻机(NXE3300)、(NXE3400)、(NXE3600)的价格分别在12.6亿、13.41亿、15.78亿元人民币左右。

比价高更让人头疼的,是没有货。

阿斯麦的EUV光刻机每年产能有限,到2021年,累计出货量才刚突破百台。这些光刻机有一半在台积电手里,另一半集中在英特尔、三星等大厂手中。三家公司2012年没有白给阿斯麦投钱。

而中国大陆,没有一台EUV。

光刻机有不同的制程,DUV(深紫外线)光刻机的光源波长为193nm,它可以帮助生产7nm及以上工艺的半导体芯片;但EUV(极深紫外线)光刻机的光源波长仅13.5nm,能生产7nm及以下工艺的半导体芯片。

苹果的A14芯片和华为的麒麟9000芯片,采用5nm工艺制造。

中芯国际刚完成7nm技术的开发,要到2021年4月才可以进入风险量产;而拥有EUV光刻机的台积电,已经实现5nm芯片的量产,且2021年第一季度将进入3nm风险量产。

现在,中国大陆目前只有上海微电子(简称“上微”)能生产光刻机,其最先进的光刻机能生产90nm芯片,这种制程无法满足当前手机、电脑等消费电子产品的需求。

据行业人士陈穰对市界透露:“目前上微的第一台193nm光源的浸没式光刻机已经在安装调试过程中,结合多重曝光工艺,有望实现最小28nm工艺芯片的生产。”

消息传出后不久,2020年11月,阿斯麦就带着7nm DUV光刻机亮相进博会,称可以向中国出口7nm DUV光刻机,无需向美国申请。

但最先进的EUV光刻机,仍然不会向中国出口。

目前,中国正通过国家02“极紫外线光刻关键技术研究”项目,联合多单位研发EUV光刻机。

与DUV光刻机相比,EUV光刻机制造的难度翻了数倍,内部零件多达8万余件,要两架波音737的货机才能运出来。光刻机有双工作台、光源系统、曝光系统、浸没系统、物镜系统、光栅系统等核心组件,每个零部件研发起来都极为复杂。

光刻机最难的是光源、晶圆曝光台、对准系统和镜头。国产光刻机涉及几十个学科的顶尖难题,需要将这些难题都钻研一遍。同时还得找到顶级的供应商。

阿斯麦90%的零部件来自外部采购,但这些零部件都是阿斯麦和供应商共同研发的,专利在阿斯麦手上。

物镜系统(镜头)是蔡司的,温控、光路修正系统等软件相关专利却是阿斯麦的。没有这些专利,即使国内厂商拿到蔡司的镜头,也没法发挥蔡司镜头的功效。

陈穰告诉市界,“如果从飞利浦子公司开始算起,阿斯麦近40年时间,形成了1万3000多项专利,并且不断的收购,投资和合作开发,打造了整个光刻机的核心部件供应商体系。现在阿斯麦又与蔡司合作开发了全球最大真空腔实验室,为未来1nm光刻机的量产做准备。”

顶级的光源,高精度的镜头和精密仪器制作技术是EUV光刻机三大核心技术,阿斯麦的光源来自收购的子公司Cymer;镜头来自深度绑定的蔡司;精密仪器则自身拥有多年的经验和专利积累。

20世纪60年代,中国也曾研究过光刻机,但在“造不如买”思想下,放弃了光刻机领域的研发。

回顾阿斯麦成为霸主的过程:高远的顶层规划,困境中的自身坚持,以及市场和技术的平衡,万中无一的运气,这些因素缺一不可。

追赶成了中国的必选项,技术差距虽大,但星光犹在。