从破产边缘,到世界巨头,光刻机之王阿斯麦做对了什么

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光刻机,是近两年热议的话题,很多人都在说,光刻机是中国被“卡脖子”的关键技术之一。

这种神秘的机器,被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”,它是用来制造芯片的核心设备。

一台最先进的极紫外(EUV)光刻机,市场售价高达1.2亿欧元,和一架波音737客机的价格差不多。

这光刻机哪里是在刻芯片,简直就是在印钞票。

 

 

而且,这么贵的东西,还不是你想买就能买。

极紫外光刻机目前全球只有一家公司能生产,这就是荷兰的阿斯麦公司。

2019年,阿斯麦公司的极紫外光刻机产量只有20多台,英特尔、三星、台积电等芯片生产巨头都在等着供货。

中芯国际曾经在2017年下血本向阿斯麦订购了一台极紫外光刻机,但由于美国的阻挠,这台机器至今没有到货。

 

目前,我国花在进口芯片上的钱超过了进口石油,芯片成为消耗外汇储备最多的项目。

如果美国全面断供芯片,而我们又买不到最先进的光刻机,那么我们将面临没有高端芯片可用的风险。

阿斯麦也不是一开始就那么牛,它的崛起也就最近二三十年的事情,回顾阿斯麦的成长史,对中国的光刻机发展有非常大的参考意义。

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阿斯麦公司成立于1984年,此时的光刻机市场已经是群雄并起,有十来家生产商,市场份额较大的有美国的著名仪器制造商珀金埃尔默公司和GCA公司,以及日本的尼康和佳能。

阿斯麦公司在成立后的两年内,市场份额为零,因为他们还没有生产出任何一款产品推向市场。

阿斯麦的首任CEO贾特·斯密特声称,四年之内,阿斯麦定会杀入光刻机市场的前三强。

一家名不见经传的小公司,在巨头林立的光刻机市场,哪来这样的底气呢?

 

这是因为阿斯麦并不是草根出身,而是系出名门,它的技术和创业团队来自大名鼎鼎的飞利浦公司。

早在1960年代,飞利浦的物理实验室就开始研发光刻机,而且,有好几项技术都比市面上的光刻机要先进。

但是,飞利浦作为一家巨无霸公司,同时研发的新产品可以说不计其数,那个年代的光刻机也不算一种特别高科技的产品,飞利浦高层完全没有意识到这个机器的重要性。

而偏偏光刻机又是一个需要持续投入、大量烧钱的项目,每年至少需要投入1000万美元进行研发,简直就是个无底洞。

 

到1980年代初,飞利浦实在受不了了,决定把这个包袱甩出去,能卖掉就卖掉,卖不掉的话找人来合资也行,好歹分担点成本。

飞利浦先后洽谈了三家美国公司,都吃了闭门羹,美国人并不觉得飞利浦的技术有多牛。

只有荷兰本地的一家叫ASM的小公司积极回应。

 

眼看着实在没人接盘,飞利浦最终同意,与ASM合资成立光刻机公司,双方各占一半股份。

阿斯麦的名字就来自于ASM公司。

1984年4月1日愚人节这天,投资资金到账,首任CEO贾特·斯密特走马上任。

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刚刚接手新公司没几天,斯密特就后悔了。

他发现自己掉进了一个大坑里。

首先,这家公司穷得要命。

飞利浦和ASM各自注资210万美元,其中飞利浦的注资还是拿过时的样机和库存材料来折价的。

阿斯麦公司现金不足300万美元,这和每年至少1000万美元的研发预算相比,简直都不够塞牙缝的。

公司甚至都没有一个像样的办公地点,飞利浦在自己的豪华办公大楼前面,搭了一排简易活动板房供他们办公。

 

第二,比没钱更要命的是,公司员工的士气非常低落。

阿斯麦最初的47名员工,都来自飞利浦的光刻机团队,他们认为自己是被飞利浦一脚踢了出来,扫地出门。

每个人都灰心丧气、不停地抱怨,这样一帮人,你怎么指挥他们打仗?

 

第三,从技术上看,阿斯麦确实从飞利浦那儿获得了一些领先的技术,比如高精度的对准技术。

但是,从实验室技术到商业量产,还有很长的一段路要走。

很有可能,产品还没推向市场,钱就烧光了。

 

为了提振士气,斯密特给员工开动员会。

当然斯密特不是随便吹牛,而是对竞争形势做了认真分析。

当时市面上包括阿斯麦在内,有10家光刻机生产商,但其中有5家根本没有啥核心技术,属于陪跑的行列,真正值得认真对待的对手也就四家,就是美国的珀金埃尔默和GCA,以及日本的尼康和佳能。

斯密特告诉员工,虽然这四家公司的产品都很成熟,但是它们都没有充分重视摩尔定律的威力。

两年之后,主流芯片将升级换代,从大规模集成电路变成超大规模集成电路,硅晶圆尺寸要从4英寸变成6英寸。

这意味着,现有的光刻机会被淘汰,市场将会重新洗牌。

四巨头中还没有一家研制出了新一代光刻机,阿斯麦是和它们站在同一条起跑线上,谁率先研发出新一代光刻机,谁就赢了。

 

更何况,阿斯麦拥有一张技术王牌——高精度的对准系统。

这是开发下一代光刻机的关键技术,其他四巨头都还没有,这等于是阿斯麦抢跑了,赢面很大。

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斯密特这一番话,听得员工一个个热血沸腾,准备撸起袖子大干一场。

员工动员起来了,接下来,斯密特得完成第二项艰巨任务,就是找钱。

斯密特估计,要想在光刻机市场站稳脚跟,需要筹集1亿美元的研发费用。

 

但是,飞利浦把光刻机项目剥离出来,就是不想再往里面投钱,ASM的实力又不够,斯密特费劲口舌好说歹说,才让两家股东各增资了150万美元,简直是杯水车薪。

事实上,阿斯麦从成立到上市的十多年间,一直处于现金流极度紧张的状况,斯密特和后来几任CEO的首要任务,都是找钱。

当时,欧共体和荷兰政府的经济事务部,都对本地高科技企业有补贴和贷款支持,阿斯麦的人天天去游说政府给他们拨款,有段时间简直就要在政府大楼门前安营扎寨了。

阿斯麦好几次资金断流,都是靠荷兰政府紧急输血来续的命。

 

还有,飞利浦不想给钱,给阿斯麦做担保总可以吧,靠着飞利浦的担保,阿斯麦从银行贷到了2500万美元。

阿斯麦又设法找到资产租赁公司,以在建的机器设备为抵押,贷了一笔款。

总之,通过各种东挪西凑,研发费用勉强到位。

当然,后来飞利浦终于发现了光刻机的重要性,也对阿斯麦下了血本,前后投资超过1亿美元。

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初创的阿斯麦攻克了一道道难关,终于在1991年交付了一台划时代的产品,型号为PAS 5500。

这款机器一上市就迅速占领市场,阿斯麦终于扭转多年亏损的局面,实现了持续盈利。

同时,一场意外的行业萧条,直接让阿斯麦的两位美国对手出局了。

说来也巧,就在阿斯麦刚成立的三年中,全球的芯片行业经历了一次衰退,需求暴跌。

日本公司通过财团之间的抱团取暖,躲过一劫。

阿斯麦在那几年还在潜心搞研发,反正没有产品卖,也不受市场萧条的影响。

 

但是美国公司就倒霉了。以GCA公司为例。

在前些年的市场繁荣期,GCA大干快上,同时上马了50多个研发项目,结果萧条期一来,资金链马上断掉,公司一蹶不振。

美国公司一倒,蔡司的光刻镜头就只能卖给阿斯麦,正好缓解了镜头产能不足的压力,真是如有神助。

到1996年阿斯麦上市的时候,光刻机市场只剩三个玩家:老大尼康、老二佳能,阿斯麦排第三。

阿斯麦的下一步,就是打败日本人。

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阿斯麦之所以能成为行业老大,离不开两个“贵人”的支持。

一个是台积电,一个是英特尔

 

先来说台积电。

台积电之所以能和阿斯麦搭上线,是因为台积电和阿斯麦一样,一开始都是飞利浦的合资企业。

因为这样的关系,台积电成为阿斯麦最早的客户之一,和阿斯麦有比较多的合作。

1990年代,光刻机的光源被卡在了193纳米的深紫外光,想要进一步制造波长更短的光,实在是太难了。

这时候,尼康打算用一种叫F2的激光作为光源。

但是,这种光很容易被吸收,原来的镜头、光刻胶等配套材料都不能用,必须全部重新研发。

而且,F2激光的波长是157纳米,只比193纳米的深紫外光短了不到25%。

也就是说,F2激光的研发投入产出比太低。

 

与此同时,台积电有一名叫林本坚的工程师想出了一个怪招:只要在曝光的硅晶圆上方加1毫米厚的水,通过水的折射,就可以把193纳米的深紫外光变成134纳米的光。

这比F2激光的157纳米更短,而且对原来的机器不用做太大的改动,属于低投入高产出。

林本坚这个想法一出来,阿斯麦积极响应,和台积电一起研制出了叫做“浸入式”的新一代光刻机,很快抢占了市场。

当然,台积电也凭借率先用浸入式光刻机来量产芯片,崛起为业界巨头,这是一个双赢的格局。

 

而另一边,等尼康反应过来,也开始研发浸入式光刻机,技术上已经比阿斯麦落后了一两年。

光刻机市场就是这么残酷,只要一次技术换代没跟上,就会被拉下马来。

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台积电帮助阿斯麦弯道超车尼康。不过,第二个贵人英特尔更厉害,它让阿斯麦一骑绝尘,把尼康和佳能甩出了十条街。

1990年代,就在尼康想出F2方案、林本坚想出浸入式方案的时候,芯片界的老大英特尔也在想办法:这么小打小闹、修修补补下去不行啊,想要在未来十年保持摩尔定律有效,必须把光刻机的波长缩小一个数量级才行。

这种光就是一开始我们提到的极紫外光,它的波长只有13.5纳米,是深紫外光的1/15。

当然,要制造出这种光源的光刻机,已经不是哪家公司凭一己之力就可以完成的,必须举当时全美国最先进的科技力量,共同研发。

 

1997年,英特尔和美国能源部牵头,成立了一个研究组织叫做“极紫外联盟”(EUV LLC),成员包括当时还如日中天的摩托罗拉、AMD,以及美国三大国家实验室。

总投资两亿美元,集合几百位顶级科学家,从理论上验证极紫外技术的可行性。

从1997~2003年的6年之内,极紫外联盟的科学家发表了几百篇论文,扫清了极紫外技术的理论难题,只需要光刻机厂商把技术落地了。

 

问题是,美国举全国之力研发出来的这么宝贵的技术,交给谁呢?

美国的光刻机厂商已经被团灭了,剩下的玩家只有阿斯麦、尼康、佳能三巨头。

1980年代日本人在存储芯片领域把美国人打得落花流水,美国人至今恨得牙痒痒,把技术转让给日本人断断不行。

这样一来,唯一的选择就只有阿斯麦了。

 

当然,美国人对这家荷兰公司也不是特别放心,让它做出了一堆承诺,几乎把阿斯麦变成了半个美国公司。

目前阿斯麦的前三大股东都是美国公司,而飞利浦几乎没有阿斯麦的股份了。

这也是为什么中芯国际想买阿斯麦的极紫外光刻机,而美国人不让卖就没法卖,因为技术是人家的。

有了美国人的技术转让,再加上阿斯麦高达每年10亿欧元的研发投入,阿斯麦终于在2015年实现了极紫外光刻机的量产。

而曾经的日本双雄尼康和佳能,直接放弃了极紫外光刻机的研发,退出比赛,只在中低端市场还有一点残余的份额。

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从阿斯麦王者崛起的故事中我们可以看到,光刻机技术其实已经超越了企业之间的竞争,它需要从国家战略层面,在资金上、技术上集中力量、集体攻坚。

那么,在这场竞争中,中国的国产光刻机处于什么位置,还没有赶超的可能?

其实,我国的光刻机技术起步并不晚,早在1977年就研制出了第一台国产光刻机,和当时世界最先进水平的差距并不大。

但是后来,由于信奉“造不如买”,我国的光刻机研发陷入了停滞,直到21世纪初才又重新开始启动。

 

目前,中国最牛的光刻机生产商是上海微电子(SMEE),它的光刻机可以生产90纳米制程的芯片。

虽然这离最先进的7纳米甚至5纳米芯片还差很远,但90纳米芯片也能够满足国防和工业的计算需求,即使真的断供,我们最多是没有最新款的手机可用,不至于国家彻底停摆。

而且,5G技术的应用,也可以在一定程度上缓解芯片能力的不足。

这就好比,我们没有能力造出豪华跑车,但可以把高速公路修得更好,整体车速跑起来也不会太慢。

 

上海微电子将在2021~2022年交付新一代浸入式光刻机,可以生产28纳米制程的芯片。

28纳米芯片已经可以满足物联网技术需求,所以在5G时代,中国不会被芯片卡脖子。

而且,用28纳米光刻机进行多次重复曝光,可以生产7纳米芯片,只不过速度慢一些。

 

目前,中科院表示要带头攻坚光刻机项目,国家也对光刻机研发进行了专项拨款。

中国的光刻机研发,路漫漫而修远兮,但只要坚持投入、不下牌桌,就会有赢的机会。

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