“殺死”光刻機全球第一，比造一台光刻機容易多了（萬字長文） （上）_風聞

最近幾天，從海外傳來了一則壞消息。

荷蘭、日本和美國達成了新的協議，要向中國限制出口先進芯片製造設備，説白了，就是光刻機。

拜登甚至親自會見日本、荷蘭領導人，討論了相關措施。

而就在短短半個月前，事情還不是這樣。1月15日，荷蘭外貿與發展合作大臣施賴納馬赫爾表示，荷蘭不會草率接受美國對向中國出口芯片製造技術實施的新限制。

現在比起幾年前，情況可能對我們更不利了。

1月30日，中國外交部長秦剛同荷蘭副首相兼外交大臣胡克斯特拉通電話，就雙邊關係等問題深入交換了意見。

繼去年的《芯片法案》之後，美國變本加厲，鼓動其盟友一起限制中國半導體產業的發展。

這次將被捲入其中的企業包括阿斯麥（ASML）、尼康、東京電子等。

雖然這份協議的詳細內容尚未公佈，但根據業內人士瞭解，禁售範圍可能涉及EUV光刻機和最新一代DUV光刻機，而普通DUV大概率不在禁售名單。

也就是説，我們要被卡脖子的是最先進製程（比如5納米、7納米）的光刻機。

因為荷蘭和日本企業壟斷了全球高端光刻機市場。

從華為、中興事件至今，過去5年（是的已經5年了），很多人談到光刻機，都是羣情激昂，然後一聲嘆息。

這家叫阿斯麥的荷蘭企業，壟斷了全世界最先進製程芯片的全部EUV光刻機市場，也就是高端裏的高端。

很多人旗艦機裏的5納米、4納米制程芯片，只能用阿斯麥的EUV（極紫外）光刻機來做，連日本人也做不了。

有人説EUV光刻機就是“工業皇冠上的明珠”。

一台先進製程光刻機，可以賣到3~4億美金，比一架波音飛機都貴。

它的重量可以達到180噸，零件超過45萬個。

運輸一台光刻機，需要使用40多個恆温恆濕專用箱、專業防震氣墊車來運輸，以及4架次的波音747貨機。

雖然這樣的產品已經登峯造極，但是阿斯麥這家公司一點也不高大上，當我看完它的故事以後，我反而對我們更有信心。

今天我們先不討論中國光刻機研發的進度，我們來看看荷蘭人當年到底是怎麼做成的。

阿斯麥不該是一家被捧上神壇的企業。

相反，阿斯麥的成長過程更像是一部創業爽劇：

一家瀕臨倒閉的創業公司，是怎麼從一個草台班子開始，九死一生，打敗所有巨人，然後登頂的故事。

我們前幾年看到的中國創業者熱血故事元素，阿斯麥一樣都不缺。

但看完它的故事，我也很矛盾，感到有些沮喪。

以史為鑑，中國人完全有可能做出像阿斯麥一樣的企業。

而有一些能卡住光刻機脖子的問題，不是阿斯麥能夠解決的，也就不一定是中國人短時間能靠自己來解決的。

01

1952年，美國貝爾實驗室迎來了一批特殊的客人。

他們是來公開“抄作業”的。

在這裏舉辦的一場晶體管技術研討會上，貝爾實驗室同25家美國公司、10家外國公司分享了所有晶體管技術，收取專利授權費25000美元。

當時參會的有一家小公司，叫飛利浦物理實驗室，英文是Natlab（簡稱“N公司”），這就是光刻巨人阿斯麥的前身。

50年代，他們利用晶體管技術推出了各種元件，取得了巨大的商業成功。

60年代初，N公司的一位研發分部主任去美國出差，帶回來一枚美國人做的芯片。

荷蘭人意識到他們錯過了和世界先進技術同步發展的機會。

飛利浦研發主管對年輕工程師克洛斯特曼（小克）提出要求，讓他放下手頭工作，集中精力製作一枚芯片。

當時N公司沒有相關的光刻技術，於是小克決定自己搞一台機器出來。

那一年，美國的GCA（G公司）已經賣出了幾十台重複曝光光刻機。

嚴格來説，光刻機應該叫曝光機，它的工作原理有點類似於單反相機。

只不過高端的單反鏡頭支持6000萬像素分辨率，而一台7納米光刻機的像素可以達到1600億像素，是頂級單反的2666倍。

來源：啓哥有何妙計

它的作用是把掩膜板上的圖形，縮小以後投影到硅片上。

硅片上有光刻膠，膠裏有光致敏劑，光一照就會變化。

曝光以後，經過烘烤固化、顯影處理，掩膜版上的圖形就複製到了硅片表面。

至於“刻”硅片的過程，則是在曝光以後，由刻蝕機來完成的。

所以光刻機的作用就像用陽光照剪紙（掩膜），再在桌上放一張紙（晶圓），把剪紙陰影的邊緣描出來。

然後刻蝕機再對準桌上的描邊，剪出一張微縮的圖案。

這個過程之所以是這樣，是因為20世紀50年代，化學家詹姆斯·納爾從顯微鏡當中獲得的啓示。

顯微鏡可以把小東西放大，那麼如果把顯微鏡顛倒過來，是不是就可以讓大圖像變小？

人們可以利用這種原理，在微小枱面上“打印”複雜圖案，從而在半導體材料上繪製出集成電路，做成芯片。

早期掩膜（紅膜）有幾英尺大，可以人工繪製

那麼當要打印的電路圖越來越複雜、細小，這個過程會出現什麼困難呢？

一大難點在於光刻系統高速運行的過程中要保持精準。

比如一片晶圓上需要曝光的單元有幾百個。

晶圓在曝光運動過程中，可能是鏡頭不動，機器操縱晶圓動來動去，那麼就涉及到加速-急停-加速-急停。

在晶圓“剎車”的時候，位置要對準到什麼程度？要達到1納米以內的對齊精度，也叫“套刻精度”（Overlay）。

不然你“刻”一會兒，該“刻”的位置就歪了，就像剪紙剪跑偏了。

有人比喻這個過程，相當於兩架飛機並排飛，一個人拿出刻刀，在另一架飛機表面一粒米大小的面積上刻字。

而阿斯麥的光刻機系統，在保持這種精度的前提下，全年可以穩定運行超過98%的時間，停機檢修工作只需要7天左右，剩下350多天都能幫你“印鈔”，阿斯麥設定的每一個部件正常工作時間要達到3萬小時以上，也就是4年左右。

只不過小克剛上手研究的時候，阿斯麥（也就是N公司）離這種水平還差着十萬八千里。

小克的老闆覺得自己人研究太慢了，就先找美國G公司買了一台光刻機。

當時這台機器粗糙到，如果想要移動晶圓位置，還得手動擰螺絲來調整。

每移動幾釐米，誤差就會達到幾微米，也就是頭髮絲十分之一的寬度。

小克覺得美國人的機器不是特別牛。

60年代後期，飛利浦的半導體材料部也發現美國人的光刻設備滿足不了生產需要了，就找到了自家N公司商量，雙方一拍即合：一起弄出來一台光刻機。

當時N公司依託飛利浦，擁有很多精密技術和設備，比如一個光電標尺可以測出0.1微米的位移，在當年都是非常先進的。

還有液壓軸承、空氣軸承，都是飛利浦沒有商業化的技術，但N公司內部可以生產，對滿足光刻機的精度要求非常重要。

光刻機1代的氣動系統的一部分，通過壓縮空氣移動晶圓

但他們搞不定鏡頭。

小克找到了德國蔡司，對方覺得N公司要的鏡頭數太少，拒絕給他們定製，隨後小克找到了法國的C公司（CERCO）解決了這個問題。

就在同一時期，美國的G公司也找到了更好的鏡頭供應商——尼康。

但是飛利浦在用G公司光刻機的時候，發現他們的設備不可靠，第一套掩膜（也就是“剪紙”）良率高，之後的就很拉胯。

飛利浦在光刻機上貼了温度計，發現電極讓滑軌變熱，滑軌熱脹冷縮就會翹曲，軌道從直線變成了弧線，雖然弧度很小，但是會破壞精度。

小克團隊注意到鎖定滑軌的約束螺栓，調整它的鬆緊，就能把晶圓台的偏差校正到零點幾微米之內，隨後在自家的機器上改良了這一點。

1967年，小克信心滿滿地帶着N公司的光刻機原型參加飛利浦的年度展覽。

飛利浦的董事會成員也來到了展台旁。小克正在眉飛色舞地講解，董事卻溜到旁邊展台看新款洗衣機了。

對飛利浦集團來説，一台能年銷幾萬台的“三大件”遠比一台沒有商業前景的破機器誘人得多。

但飛利浦的半導體材料部是懂行的，他們訂購了1台N公司的光刻機，非常滿意，每套掩膜之間的對齊精度也很高。

在1976年飛利浦的年度報告裏寫着這樣一句話：

“由於在光學、機械和控制系統方面有着豐富的經驗，我們成功地在研發設備中實現了位置移動10釐米而位移偏差只有0.1微米。”

但是這項技術除了用來自戀，沒有其他用處。

到80年代初，美國G公司的光刻機拿下了IBM、仙童、西門子等大客户，1981年的銷售額達到了1.1億美元，3年翻了近10倍。

而N公司這邊研發一片混亂，一台售出的光刻機都沒有。

油壓軸承也出了問題。有一天，油泵機發出刺耳的嘶嘶聲，機油從導管噴湧而出，整個超淨工作室沾滿了油污。

他們決定要改用永磁體來驅動電機。

經歷無數次失敗，他們的線性電機實現了兩個目標：

運動時達到極高的加速度，帶來光刻機更高的吞吐效率；

靜止時停在該停的位置，達到極高的靜態精度。

但是大家不知道該怎麼量產這台機器。

因為大家不喜歡搞一大堆圖紙，出了問題都是拿嘴溝通，解決了就拉倒。

結果所有知識分散在所有人的腦袋裏，連第二台機器都不知道該怎麼“複製”出來。

N公司想了一招：懶得動筆，那就把所有流程都用相機拍下來。

在經歷了非常動盪的內部磨合之後，他們終於將一台測試樣機送到了IBM。對方雖然提出了一些改善建議，但看上去就要下訂單了。

負責人喬治樂觀地説：“他們會訂購三四十台呢！”

但是接下來很長時間，IBM都沒有下訂單。

團隊士氣低迷，而飛利浦內部對光刻機項目的質疑也越來越大。

半導體材料部門從G公司訂購的設備總能按時交貨，但自家N公司的設備卻總是延期。

G公司一年能賣200台光刻機，N公司只有5台，還是供給飛利浦。

飛利浦CEO德克下令：“儘快結束光刻機這種沒意義的項目。”

他們打算叫停或出售飛利浦各種不賺錢的業務，這是西方大公司的常規操作。

有一家荷蘭本地的芯片設備廠商想要接盤，它的名字叫ASM（先進半導體材料公司），但是N公司高層很快就把它的名字劃掉了，嫌人家體量太小。

這時候，美國G公司最大的競爭對手P公司（Perkin-Elmer）受邀來到飛利浦考察。

他們參觀完光刻機制造產線以後告訴他們：“你們這簡直就是一間用金磚做的茅房。”

意思是雖然技術不錯，但是沒必要弄這麼昂貴。

更讓P公司高管驚訝的是，飛利浦董事會高層對芯片市場一無所知，對光刻機業務滿臉嫌棄。

他們問N公司的人：“呃，你們大領導知道自己在説啥嗎？”

P公司有意願收購，但隨後他們又參訪了另一家公司，就改了主意。

N公司覺得自己就像沒人要的孩子。

但只説對了一半。

因為ASM的老闆德爾·普拉多（老普）始終不死心。

他的公司在1978~1983年間收入增長了6倍。

1983年春天，負責飛利浦光刻機業務的技術董事克魯伊夫（老克）在報紙上讀到了ASM成功地故事。他意識到：老普這傢伙還挺有錢的。

當時飛利浦全新的步進式光刻機距離完工只剩一步之遙，而ASM成了他們最後一根救命稻草。

1983年，當老克第一次走進老普辦公室的那天，他們只用了不到1個小時就敲定了飛利浦和ASM建立合資企業的計劃。

也就是後來的阿斯麥（ASML）。

老普想做的事情很簡單：他的公司生產其他幾乎所有種類的芯片製造設備，除了光刻機。

收了N公司，他就能做成設備全產業鏈一條龍。

雙方股權50%對50%。

但實際上，只有老普拿着真金白銀注資210萬美元，而飛利浦幾乎“一毛不拔”，拿着一批過時的設備、原料充抵註冊資金180萬美元，只掏了30萬現金。

連飛利浦的管理人員都看不下去了：“這家新公司買杯咖啡就能破產。”

在收購之後，老普才發現阿斯麥的產量真是馬尾巴穿豆腐——提不起來，連年產40台的目標都達不到。

那家法國的C公司也很拉胯，供應的16個鏡頭裏只有1個能滿足客户IBM的要求。

一些著名分析師表示：這家合資公司註定失敗。

1984年春天，阿斯麥擁有47名意志消沉的飛利浦員工。

他們之所以肯來，是因為集團保證4年後他們可以轉崗回到飛利浦。

那一年，G公司和尼康是全球光刻機的冠亞軍，而阿斯麥的市佔率依然是0。而佳能、日立和其他國際公司也在爭搶蛋糕。

他們計劃在1986年參加硅谷的國際半導體展會，展示一款新光刻機來搶佔市場。

但在兩年內量產一台比對手更強的光刻機，幾乎不可能。

阿斯麥的第一任CEO賈特·斯密特（老賈）擔起了這副重擔。

在阿斯麥幾乎沒人喜歡他獨斷專行的風格，多年後當他離職時，同事按慣例給他眾籌的離職紅包裏只裝了80美元。

但他是帶着阿斯麥起飛的第一人。

他逼着大家改變工作流程，每天拿出一部分精力來記錄工作日誌，整理文檔。

客户明確告訴老賈，他們不需要歐洲的光刻機：“等你賣出去20台，再來找我談吧。”

老賈沒有一蹶不振，而是發現了產業升級過程中的機會：

從大規模集成電路（LSI，細節大於1微米）到超大規模集成電路（VLSI，細節小於1微米），產業需要新一代光刻機，處理的晶圓尺寸也會從4英寸升級到6英寸。

而當時業界沒有形成解決方案。

尼康、G公司，都還在用導程螺絲桿來移動晶圓台，圖像細節定位精度大於1微米，而阿斯麥掌握着技術優勢。

老賈認為，這是阿斯麥彎道超車的機會——兩年後，交出一台成熟的VLSI光刻機。

他估計，這需要投入1億美元。

他需要去求2個爸爸——兩個前期只投入了210萬和30萬美元的爸爸們。

老賈精心準備了一套PPT，給董事們畫出了新的大餅，指出阿斯麥的一些技術無人能比，行業未來一定會大洗牌，成為頭部公司的市佔率和回報是非常可觀的。

“我們可能需要多達1億美元，但只是一個粗略的估計。具體的數字可能更少，也許5000萬就夠了。”

事後證明，老普估的很準。

包括老普在內，董事們很震驚，這個保底數字是當時母公司ASM全年的營收，而ASM剛剛扭虧為盈。

最後老賈得到的回覆是：你可以接着搞，董事會追加300萬美元（0.03億美元），剩下的錢你自己想辦法。

之後，老賈一邊找錢，一邊招人。

他們需要軟件、電子、機械、光學、測量和控制技術等各個學科的人才。

為了釣到更多的魚，他們在報紙上登招聘廣告，怕公司沒名氣，擅自用了飛利浦的標識——老賈假裝自己不知道，還被母公司罵了一頓。

結果收到了300份簡歷，很多人的求職信上都標着“請轉交飛利浦公司”，大家都是衝着大廠來的。

02

20世紀80年代，隨着日本半導體產業，尤其是內存產業的快速發展，佳能和尼康獲得了巨大的發展機會。

從日本到美國，他們一步步蠶食着G公司原本佔有的市場。

1984年底，日本光刻機市場規模超過美國。

這一年，阿斯麥把公司搬到了荷蘭南部的費爾德霍芬，一座人口只有4.5萬人的城市。

今天，全世界以萬億美元計算產值的半導體產業都要看這座小城的臉色。

但是在當年，阿斯麥的大部分員工就是在這樣一些簡易板房裏開發光刻機的。

為了這一次“彎道超車”計劃，阿斯麥開始網羅供應商。

為了做出直線電動機，他們需要50個定子，也就是發電機中保持固定不動的部分。

他們在飛利浦的供應鏈當中尋找工廠，這些企業每年都是給飛利浦做上萬件零部件配套的。

他們告訴對方一年只需要50個，談話就結束了。

阿斯麥的員工覺得自己像個沒人搭理的小娃娃。

但他們沒有退縮，而是找到飛利浦各個工廠求援，一開始都吃了閉門羹。

這些工廠沒見過這麼執拗的人，他們的態度也開始鬆動。

最終阿斯麥員工發現，只要穿過幾條街，就可以在飛利浦的玻璃工廠裏找到一些精密的玻璃部件。

工人在ASML樓內的新超淨室中組裝

供應鏈解決了，但交貨又成了問題。缺少一個部件，光刻機就不能工作。

負責供應鏈的克拉森幾乎要崩潰了。

他週五下午問飛利浦的司機，零件啥時候到。

司機説：“都快五點啦，這周沒戲啦。”

因為飛利浦員工從不加班。

克拉森絞盡腦汁，想出一轍，沒想到真的管用：

給他們塞一筆加班費，送上幾杯啤酒，再來兩瓶葡萄酒。

所以他的後備箱裏裝滿了各種酒。

為了確保不缺東西，他要求所有東西堆在他眼前。

結果他的辦公室裏堆滿了電纜、插頭和成箱的零件。

克拉森與電動機零件

在鏡頭方面，他們一腳踢開了不靠譜的法國C公司，再次找到蔡司。

但對方再次拒絕為阿斯麥定製鏡頭，而是讓他們從庫存裏挑。

阿斯麥給蔡司畫大餅，説未來幾年會擴大數倍的訂單量，蔡司一點也不感興趣，因為一個蔡司“金手指”工匠要培訓幾年甚至十幾年，人才供給跟不上。

20世紀50年代蔡司的中央光學生產車間

經過一番軟磨硬泡，蔡司最終還是答應了。

但是蔡司上來就坑了阿斯麥一把。

由於密封鏡頭的膠水同其他材料的熱膨脹係數不一樣，鏡片用着用着就會發生漂移，圖像變得模糊，客户退回了一批又一批產品。

蔡司當年的這個問題不僅坑了阿斯麥，也坑了美國的G公司。

在承認這個問題之後，蔡司才低下了高傲的頭顱，開始同阿斯麥共同研發光刻機光學系統的解決方案。

1985年，阿斯麥的新機器PAS 2400製造完成。

老賈打算敲鑼打鼓地宣傳一番。

在半導體展會上，他們在參觀手冊上買下了10個版面，拿自家機器與行業主流產品進行對比，跟現在手機發佈會上的參數對比沒什麼兩樣。

廣告：阿斯麥光刻機每小時處理硅片74片，高於尼康和G公司