阿斯麥封神記

米筐資本2019-06-05 00:28:58

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來源 / 魔鐵的世界

作者 / 蔣培宇

正文約5128字,閲讀需要11分鐘

已獲授權轉載,文章觀點不代表本號立場


一提起荷蘭,大家首先想到的是巨大的風車,以及色彩華美的鬱金香。很少有人會留意到,在雨水充沛、人口不到30萬的荷蘭南部城市費爾德霍芬(Veldhoven,坐落着一家叫阿斯麥(ASML)的公司,它是全球最大的光刻機制造商。

阿斯麥(ASML)在費爾德霍芬(Veldhoven)的總部  圖片來源/阿斯麥官網



阿斯麥的地位有多重要?可以這麼説,如果它停產,全球半導體芯片生產將會停擺。


阿斯麥的行業地位,還可以通過近期一則新聞略窺一斑。5月初,美國聖克拉拉市高等法院作出最終判決,阿斯麥起訴XTAL竊取商業機密勝訴,阿斯麥獲賠8.45億美元,並獲得XTAL的大部分專利和客户。


這樁官司發生的背後,和阿斯麥的一位客户想借XTAL打破阿斯麥的市場壟斷地位有關。這方面,或許市場數據更有説服力。


2017年全球光刻機總出貨294台,阿斯麥出貨198台,佔據市場份額68%,在更高端的EUV(極紫外)光刻機方面,市場100%屬於阿斯麥。正因為如此,才有客户擔心自己被阿斯麥卡脖子,於是絞盡腦汁培養阿斯麥的競爭對手XTAL


合抱之木,生於毫末。阿斯麥剛成立時,可謂爹不疼娘不愛,靠着苦心鑽營出一套打法,最終從尼康等老牌光刻機大户嘴裏搶到飯吃,從青銅走上王者之巔。


尼康為王的時代


阿斯麥成立於1984年。


1984年正是尼康來回碾壓美國對手的時代:

  • 在硅谷成立尼康精機,等於把戰鬥指揮部放到美國高科技行業的心臟;

  • PerkinElmer(鉑金埃爾默)受尼康衝擊,份額從超過30%跌到不足5%,今天它已經完全放棄半導體設備業務,專注於健康檢測設備;

  • GCA的大客户IBMAMDTIIntel等,排着隊跑到尼康那兒;

  • 尼康和GCA各享30%的市場份額,這種一山二虎的局面沒有維持多久,尼康就獨自為王,佔領超過50%的份額,一直到阿斯麥崛起為止;


在大户尼康肆意放飛自我的時候,阿斯麥出生了。


直到今天,半導體設備在尼康集團的收入中佔比仍達38.8%,是第二大支柱,但已遠遠不能和輝煌的時候相比。圖片數據來源/尼康官網。



早在幾年前,飛利浦實驗室研發出自動化步進式光刻機(Stepper)的原型,但對它的商業價值心裏直敲小鼓,找P&E;GCACobiltIBM這些半導體界的大佬談合作,沒人願意搭理。這時,荷蘭一家叫ASM International的小公司主動要求合作。飛利浦猶豫了一年,勉強同意成立股權對半的合資公司,這就是阿斯麥。


飛利浦之所以願意放低身價和一家名不見經傳的小公司合作,原因有兩個:


  • 一方面是飛利浦當時正和索尼主推更賺錢的CD,1984CD的銷量達到1300萬張,是上一年的兩倍多,正漸漸散發出印鈔機的氣質,比小眾的光刻機更有投資價值;

  • 另一方面,尼康在光刻機市場攻城掠地,老牌半導體設備廠商節節敗退,雪上加霜的是,飛利浦當時正打算開始大規模裁員,糟糕的經濟狀況和惡劣的光刻機市場環境,使它不敢大手筆押注光刻機,因此與ASM International合作,不過是想佔個坑觀望而已。


阿斯麥成立後,地位類似童養媳,飛利浦沒有撥付經費,甚至不提供辦公室,31個員工就在飛利浦大廈外的簡易木棚房辦公。多年以後,阿斯麥的CEO彼得.韋尼克(Peter Wennink)回憶公司初創時的境況,還忍不住説“窮困”。一句話:既沒錢,又受對手壓制。


阿斯麥剛成立時的辦公地是飛利浦大廈前的簡易木棚房,就是圖中緊挨垃圾桶的小房子。圖片來源/阿斯麥官網



在2000年之前的整個16年時間裏,光刻機市場差不多都是尼康的後花園,阿斯麥佔據的份額不超過10%


直到一個叫林本堅的華人出現。


林本堅宣判“乾式”微影技術死刑


1959年,成立半年的仙童半導體公司赫爾尼發明了製造擴散型晶體管的“平面處理工藝”,使晶體管制造像印刷書籍一樣高效。這一工藝的流程之一,是把帶有電路圖的透光片正確投射到硅片上。“平面處理工藝”誕生之後成為集成電路的標準工藝,一直沿用至今,其最初採用的“乾式”(以空氣為介質)微影技術也沿用到上世紀90年代(鏡頭、光源等一直在改進),然後遇到瓶頸:始終無法將光刻光源的193nm波長縮短到157nm


當時,為縮短光波長度,大量科學家和幾乎整個半導體業界都被捲進來,砸進數以十億計的美金,以及大量人力,提出了多種方案。


但這些方案,要麼需要增大投資成本,要麼太過超前,以當時的技術難以實現(比如極紫外(EUV)光刻,後文會講到)。


當大家排隊往157nm的“牆”上撞時,時任台積電研發副總經理的林本堅來了個腦筋急轉彎:既然157nm難以突破,為什麼不退回到技術成熟的193nm,把透鏡和硅片之間的介質從空氣換成水,由於水的折射率大約為1.4,那麼波長可縮短為193/1.4=132nm,大大超過攻而不克的157nm



這個方案被稱做“浸入式光刻技術”,優勢非常明顯:


  • 由於是利用現有成熟技術改造,資金投入小,可以給半導體設備製造商節省研發投入,並減小芯片製造商的導入成本;

  • 如果把介質從水換成其它高折射率液體,波長還可以縮小到132nm以下,也就是説提高光刻機的分辨率非常方便。


“浸入式光刻”方案並非林本堅靈光一現的產物,實際上早在1986年,他在IBM工作期間,就已經認定縮短波長的最佳方案是由乾式微影技術轉向浸潤式。但當時半導體界還沒在波長前撞牆,浸潤式技術方案沒有得到重視。


15年後,林本堅終於等來了機會。


林本堅。圖片來源/網易科技



“浸入式光刻”方案一出,基本上宣判了半導體界正在開發的各種“乾式”微影技術方案的死刑,意味着此前投入巨量的資金和人力幾乎打了水漂。這下大家不幹了,列出了一大堆反對理由,並有大公司高層捎話給台積電共同運營長蔣尚義,希望他管管林本堅,“不要(出來)攪局”。


阿斯麥下注崛起


林本堅帶領團隊半年發表3篇論文,消除業界對“浸入式光刻”方案的技術疑慮,同時跑遍美國、德國、日本等國,説服大廠們採用“浸入式光刻”方案,基本都是被拒絕。畢竟之前的巨量投入打水漂,是個人想想都會心疼(尼康現在大概是後悔的)。


來到荷蘭阿斯麥時,林本堅終於聽到願意合作的聲音。


打動阿斯麥的,除了“浸入式光刻”方案的技術難點被林本堅證明可以攻克,還有它的市場前景。由於半導體芯片市場一直被摩爾定律的小鞭子驅趕着,而英特爾又是摩爾定律的堅定支持者,“浸入式光刻”方案既然可以輕鬆突破157nm的障礙,那麼產品生產出來,英特爾將會下單,加上台積電,阿斯麥可以拿下兩家龍頭客户。



半導體設備市場是個小眾市場,兩家龍頭企業點頭後,阿斯麥追上行業老大尼康的概率大大增加,權衡下來,此前對乾式微影技術的投入就顯得不那麼肉疼,阿斯麥於是決定下注投入“浸入式光刻”方案。


阿斯麥和台積電一拍即合。2004年,雙方共同研發成功全球第一台浸潤式微影機。當然,尼康也不是吃素的,宣佈採用乾式微影技術的157nm產品和電子束投射(EPL)產品樣機研製成功。


但阿斯麥的產品相對於尼康的全新研發,屬於改進型成熟產品,半導體芯片廠應用成本低,而且縮短光波比尼康的效果還好(多縮短25nm)。結果,沒人願意買尼康的產品,尼康潰敗由此開始,市場份額被阿斯麥大口吃進。


5年後也就是2009年,阿斯麥已經佔據70%市場份額,尼康則從行業老大變成小弟。尼康的潰敗,還間接拉低了日本半導體芯片廠商的競爭力,它們基本上都採用尼康的光刻機。阿斯麥的崛起,則直接帶動台積電上升,並達到今天的高度。


“一榮俱榮,一損俱損”,曹雪芹發現的這條豪門興衰規律,同樣適合高度耦合的半導體產業。


倒黴的尼康都沒機會當小角色


在和阿斯麥關於“浸潤式”和“乾式”投影的技術路線爭鬥中,尼康只是打了一場敗仗,而讓它真正一敗塗地的,還是在EUV光刻機的研發中,被美國直接排除在外。


這個時間點需要推移到“浸潤式光刻”方案出現之前。


在上面講到的“浸潤式光刻”方案中,光源採用波長為193nm的氟化氬激光。隨着摩爾定律的推進,氟化氬激光的潛能很快被“浸潤式光刻”榨乾,半導體界需要尋找新的光源。


高功率二氧化碳激光器看起來非常適合,它發射的極紫外光波長為13.5納米,僅為氟化氬激光193nm1/14,前途簡直不可限量。


不過,極紫外光也不好伺候:


  • 容易被許多材料吸收,需要在真空環境曝光;

  • 真空環境帶來潔淨度挑戰;

  • 過短波長易產生繞射,進而造成掩膜、晶圓邊緣過度曝光,帶來良品率下降問題;


總之,新的光源帶來一大堆新問題,其實這也是193nm氟化氬激光源一用就是幾十年的原因。但極紫外光誘人的應用前景,促使摩爾定律的堅定擁護者Intel早在1997年就開始下注,這也是尼康悲劇的開始,阿斯麥走運的起點。


Intel和美國能源部共同發起成立EUV LLC組織,匯聚了美國頂級的研究資源和芯片巨頭,包括勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室等三大國家實驗室,聯合摩托羅拉(當時如日中天)、AMD等企業,投入2.25億美元資金,集中了數百位頂尖科學家,只為一件事:極紫外光刻機到底可不可行?


考慮到美國光刻機公司日漸衰落,為避免阿斯麥(佳能當時已排在其後)和尼康中的一家獨大,英特爾於是邀請阿斯麥和尼康一起加入。


但美國政府不樂意了,擔心最前沿的技術落入外國公司手中,因此反對阿斯麥和尼康加入EUV LLC。從這裏也可以看出,美國和它的盟友並不總是掏心掏肺。


阿斯麥對美國政府許下一大堆承諾後,勉強進入了EUV LLC這個超級朋友圈當一個小角色。尼康則沒有這麼幸運,直接被拒絕,連當小角色的機會都沒有。


美國這一腳


這次事件對兩家公司在光刻機市場的未來發展產生了深遠影響。


尼康等於被排除在極紫外光刻機門外,被美國一腳踢出了光刻機未來競爭的牌局,否則,在後來“浸入式光刻”技術上慢一拍後,它還有可能借極紫外光刻機扳回一局,和阿斯麥繼續相愛相殺。


美國這一腳,無意中幫助阿斯麥清除了一個強勁對手,還使其成為極紫外光刻機市場的絕對壟斷者。阿斯麥雖然是EUV LLC中的小配角,但卻享受到其基礎研究成果,同時在2000年、2013年,分別併購美國光刻機巨頭SVGL(硅谷光刻集團)和美國準分子激光源企業Cymer,打通了極紫外光刻機的生產產業鏈。美國本來也以國家安全為由百般阻撓阿斯麥收購,但由於阿斯麥有加入EUV LLC的先例,並且答應了一大堆附加條件,收購最終成功落地。


結果就是,在極紫外光刻機領域,阿斯麥是唯一能夠設計和製造的半導體設備廠商,等於壟斷了這個超高端市場。



阿斯麥極紫外(EUV)光刻機每台售價達到1.2億美元,重達180噸,零件超過10萬個,運輸時能裝滿40個集裝箱,安裝調試時間超過一年。明年台積電的5nm工藝製程即可用上極紫外光刻機。圖片來源/阿斯麥官網



這是阿斯麥的客户最不願意看到的局面,結果導致了本文開頭所説的官司:一家韓國公司試圖打破阿斯麥壟斷,幫助其競爭對手XTAL。


當然,説阿斯麥僅靠運氣贏得今天的地位並不準確。實際上,阿斯麥有自己的封神必然律。


窮困逼出的開放式創新


日本一橋大學創新研究中心的教授中馬宏之曾深入比較研究過阿斯麥和尼康兩家公司,發現阿斯麥的微影機零件,90%是外包製造,遠遠高於尼康。換句話説,阿斯麥採用的是“無生產工廠模式”,它更多的是設計和組裝。


這恰恰就是阿斯麥努力打造的競爭力所在。光刻機需要最前沿的基礎研究支撐,也是目前最頂級的一種精密機械,屬於資金、技術和知識產權高度密集型產品。而阿斯麥成立時“要人沒人,要錢沒錢”的窮困狀況,迫使其走上藉助外部資源發展的開放式路徑,而不是像尼康那樣事事包攬。


阿斯麥通過高度外包這種開放式創新,快速集成各領域最先進的技術(阿斯麥的供應商不止供應零部件,還供應知識),設計和“組裝”出最先進的光刻機,幫助半導體芯片企業跟上摩爾定律的節奏,從而甩開競爭對手,贏得市場。


圖片來源/阿斯麥官網



阿斯麥的開放式創新體現在兩方面:


  1. 把供應商(包括大學等學術機構)作為研發夥伴,讓出部分利潤(阿斯麥以很低的價格賣出設備)換取供應商的知識;

  2. 重大項目和客户共同介入,並以股權為紐帶綁定大家的風險和收益,在研發極紫外光微影量產技術與設備時,阿斯麥邀請了Intel、台積電和三星等三家客户參與,三家分別投入41億美元、14億美元和9.75億美元入股。客户入股可以保證最先拿到最新設備(在芯片行業,時間比鑽石還貴重),同時可以賣出股票獲取投資受益,對阿斯麥來説,則搶先佔領了市場,降低了經營風險。


阿斯麥的開放式創新在IT界其實是一種較為普遍的商業模式,是市場後來者敲碎壟斷門檻的大錘。ARM出道時,CPU基本被Intel壟斷,於是ARM採取出售IP的商業模式,將CPU的集成設計、生產和銷售環節開放,打造出一個ARM架構的超級生態圈;安卓面世前,手機操作系統是諾基亞塞班的天下,於是安卓採用免費開放的商業模式,和蘋果聯手擊潰諾基亞,稱霸手機操作系統市場。


阿斯麥能從日美大户橫行的光刻市場崛起,除了一點運氣,還有“窮則思變,變則通,通則達”的必然律起作用。


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