光刻机霸主阿斯麦封神之路
时间:2020-06-17 00:00:00来自:芯东西字号:T  T

现在,5nm制程芯片作为目前可量产的最先进芯片,将是顶级手机的标配,也是摩尔定律真正的捍卫者。年内将推出的华为Mate40采用的麒麟1020芯片、苹果iPhone12搭载的A14仿生芯片不出意外,都会采用5nm制程。

不少证据正在证实这一点,3月份,有爆料称台积电成功流片麒麟1020;4月份,台积电宣布为苹果代工A14芯片;在近期的国际经贸摩擦中,台积电是否能按时向华为出货Mate40芯片也着实让人捏了一把汗。这一连串事件之中,为两大手机龙头代工芯片的台积电成为关键角色,举足之间关系着华为手机芯片供应的命运。

然而,台积电能吃下苹果、华为的5nm订单,背后还少不了一家荷兰厂商的存在:芯片制造要想突破10nm以下节点,必须要用到EUV(极紫外线)光刻技术,而EUV光刻机只有荷兰公司阿斯麦(ASML)能造。不论是5nm量产赛道第一名台积电,还是第二名三星,想造出产品,就只能先乖乖向阿斯麦订货。

作为全球5nm产线不可或缺的狠角色,阿斯麦到底是一家什么样的公司?

我们不妨先理解“光刻”这项技术的重要性。如果把芯片比作刻版画。芯片生产的过程就是在硅衬底这张“纸”上,先涂上一层名为光刻胶的“油墨”,再用光线作“笔”,在硅衬底上“拓”出需要的图案,然后用化学物质做“刻刀”,把图案雕刻出来。

其中,以光线为“笔”、拓印图案这一步被称为光刻。在芯片制造几百道工序里,光刻是芯片生产中最重要的步骤之一。图案线条的粗细程度直接影响后续的雕刻步骤。目前市场上主流的光刻技术是DUV(深紫外线)技术,最先进的则是EUV技术。

完成这一步需要用到的设备——光刻机,一台售价从数千万美元高至过亿美元。要知道,美国最先进的第五代战机F-35闪电II式的售价还不到8000万美元。

放眼全球,光刻机市场几乎被3家厂商瓜分:荷兰的阿斯麦(ASML)、日本的尼康(Nikon)和佳能(Canon)。

在这3家中,阿斯麦又是当之无愧的一哥。据中银国际报告,阿斯麦全球市场市占率高达89%!其余两家的份额分别是8%和3%,加起来仅有11%。在EUV光刻机市场中,阿斯麦的市占率则是100%。

要指出的是,阿斯麦并非生来就含着金汤匙。阿斯麦成立于1984年,入局光刻机市场晚于尼康(1917年成立,1980年发售其首款半导体光刻机)和佳能(1937年成立,1970年推出日本首台半导体光刻机)。成立之初,阿斯麦只有31名员工,还曾面临资金链断裂的窘境。

36年间,这家几近破产的小公司是怎样成长为光刻机一哥的?又是如何在十多年里占据第一宝座屹立不倒的?今天,智东西就来复盘这家荷兰光刻机之星的逆袭之路。

更为重要的一点,在美国狙击华为芯片供应的组合拳里,阿斯麦间接或直接地成为一颗关键棋子,美国人凭什么限制阿斯麦的生意,背后又有怎样的渊源?

01光刻机市场的传说,全球5nm产线的唯一选择在郁金香国度荷兰的南部,坐落着一个居民人数20余万的市镇,艾恩德霍芬,阿斯麦(AdvancedSemiconductorMaterialLithography,直译:先进半导体材料光刻技术)总部就位于此。

阿斯麦是一家采用“无工厂模式”的光刻设备生产商,主要产品就是光刻机,还提供服务于光刻系统的计量和检测设备、管理系统等。

翻开全球芯片厂商的光刻机订货单,其中绝大多数都发给了阿斯麦。以2019年为例,阿斯麦共出货229台光刻机,净销售额为118.2亿欧元,净利润为25.2亿欧元。相比之下,尼康出货46台,佳能出货84台。

除了出货量占优,阿斯麦(ASML)也代表着全球最顶尖的光刻技术。在阿斯麦2019年卖出的229台光刻机中,有26台是当今最高端的EUV(极紫外线)光刻机。而在EUV光刻市场,阿斯麦是唯一的玩家。

EUV光刻机采用13.5nm波长的光源,是突破10nm芯片制程节点必不可少的工具。也就是说,就算DUV(深紫外线)光刻机能从尼康、佳能那里找到替代,但如果没有阿斯麦的EUV光刻机,芯片巨头台积电、三星、英特尔的5nm产线就无法投产。

时间迈进2020,光刻机市场三分的格局中,阿斯麦已稳居第一10多年。在“光刻机一哥”光环的背后,阿斯麦又有怎样的故事?

智东西从技术路线选择、先进技术攻关、资金支持、研发投入等方面入手,还原出这个故事真实、立体的脉络。

02与台积电鬼才相互成就,21世纪阿斯麦冉冉升起罗马不是一天建成的,阿斯麦的成功也绝非一蹴而就。今日风头无两的光刻机市场一哥背后,是一个卑微的开始和一段曲折的往事。

故事要从20世纪80年代讲起,那时候距离摩尔定律被正式提出(1975年)不到10年,增加芯片晶体管数目还不是让全球半导体学者挤破头的课题。相应地,对光刻机光源波长的要求较低。当时的光刻机采用干式微影技术,简言之,光源发光,光线在涂有光刻胶的硅基底上“画”就完了。

比如,1980年尼康推出的可商用步进式重复式光刻机(Stepper),光源波长为1微米。连芯片厂家英特尔也自己设了个光刻机部门,用买来的零件组装光刻机。

通俗来说,步进式重复光刻机的工作原理是使涂有光刻胶的硅片与掩膜板对准并聚焦,通过一次性投影,在晶圆片上刻画电路。

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