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    解密光刻機巨頭ASML的崛起之路

    上世紀80年代,ASML只是飛利浦旗下的一家小公司。如今,ASML不僅將昔日的光刻機大國美國、日本拉下神壇,還壟斷了全球7nm及以下工藝的EUV光刻機技術。

    《中國經濟周刊》記者 周琦 | 北京—荷蘭連線報道

    華為、芯片、斷供……一系列事件,把一家以前只有少數業內人士才熟悉的ASML(阿斯麥)推向前臺。

    上世紀80年代,ASML只是飛利浦旗下的一家小公司。如今,ASML不僅將昔日的光刻機大國美國、日本拉下神壇,還壟斷了全球7nm及以下工藝的EUV光刻機技術。

    ASML如何實現一路反超?為何如今只有它擁有先進的光刻機技術? ASML的成功能否被復制?荷蘭Techwatch媒體公司CEO、荷蘭高科技學院董事總經理瑞尼·雷吉梅克歷經7年采訪整理出的《光刻巨人:ASML的崛起之路》一書,揭開了ASML秘密的一角。

    在接受《中國經濟周刊》記者采訪時,雷吉梅克表示,中國可能需要很長時間才能制造出晶圓步進器。但中國擁有足夠的資金和知識儲備,一旦擁有設備,就可以啟動先進晶圓工廠項目。

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    兩位“貴人”助其反超

    1月20日,ASML公布2020年全年財報。2020全年,ASML銷售額139.8億歐元(約合人民幣1098億元),累計交付258臺光刻系統——以此計算,平均一臺光刻機的價格超過4億元人民幣(編者注:含安裝管理費用)。

    其中,中國大陸市場超過美國市場成為第三大市場,銷售額增長約72%。在258臺系統中,中國大陸占比為18%。也就是說,中國大陸2020年獲得了約46臺ASML光刻系統。

    不過,據《中國經濟周刊》記者了解,中國大陸獲得的光刻系統中,并沒有最先進的EUV(極紫外光)光刻機,而是DUV(深紫外光)光刻機。

    EUV光刻技術相比DUV更加精準。據環球網報道,雖然DUV光刻機是目前大量應用的光刻機,但是7nm已經是DUV光刻的極限,所以Intel、三星、臺積電等企業在7nm這個節點引入了EUV光刻技術。

    誕生于2015年的EUV,是ASML 10年磨一劍的產品。而在之后的5年時間里,面對ASML的EUV優勢,尼康節節敗退,失去了50%以上的光刻機市場份額。如今的尼康已經放棄了對EUV的研發,在光刻機市場苦苦支撐。

    據雷吉梅克介紹,ASML之所以能成為世界上唯一可以生產EUV光刻機的公司,離不開臺積電和英特爾兩位“貴人”的支持。

    作為ASML遇到的第一個“貴人”。臺積電在技術、人才、資金方面給了ASML很大幫助。憑借臺積電的“浸入式光刻技術”方案,ASML將光源波長一舉從193nm縮短到132nm。此后,ASML快速蠶食光刻機市場份額。

    第二個“貴人”英特爾,則是幫助ASML把尼康、佳能兩大光刻機巨頭“踢出局”的重要推手。

    1997年,英特爾和美國能源部牽頭組建EUV LLC前沿技術組織,集成了通信巨頭摩托羅拉、芯片巨頭AMD、勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室等眾多頂級單位。

    ASML被允許加入EUV LLC,此后順風順水一飛沖天,而尼康、佳能卻被排除在外,失去了未來的門票。

    雷吉梅克介紹,享受EUV LLC的研究成果大大加快了ASML的EUV研發速度,但也因簽訂了一些協議,使得美國擁有光刻機出口話語權。

    捆綁客戶,形成利益集團

    除了“貴人”之外,ASML的崛起,也有其自身優勢。“ASML會傾聽客戶的意見,讓先進技術快速迭代,獲得客戶青睞。” 雷吉梅克說。

    例如,上文提到讓ASML超越尼康的“浸入式光刻技術”,就是傾聽了客戶臺積電的意見。

    當時,整個光刻機領域在193nm向157nm波長進軍時遇阻,尼康等公司主張在前代技術基礎上走穩健道路。

    臺積電的林本堅則想出了利用水改變光折射率的“沉浸式光刻”方案,將193nm的激光經過折射后直接跨越157nm,降低到了132nm。

    但是,林本堅跑遍美國、德國、日本等國游說各家半導體巨頭,均告失敗。而ASML則和他一拍即合,僅用一年時間就制作出了第一臺樣機,不僅拿下臺積電的訂單,還獲得了IBM等大客戶。

    雷吉梅克還透露,此前,盡管尼康的光刻機比ASML的機器更可靠,但三星認為,尼康非常傲慢,不聽取他們的意見。當三星聯系ASML時,ASML聽取了三星的意見。“一開始,由于三星的意見之一是對ASML的機器做一些改變,對于在過去只有一種批次、一種類型光刻機的ASML來說,他們并不想接受。但當三星表示他們將購買大量的光刻機時,ASML便開始改變策略。不僅僅是上世紀90年代,即使現在看來,上百臺機器都是一個巨大的訂購數量。”

    雷吉梅克說,蠶食掉市場份額時,ASML并沒有像競爭對手那樣傲慢和無視,而是希望傾聽客戶意見,將技術不斷打磨升級。“ASML第一任CEO 賈特上任后第一件事,就是去詢問客戶真正需要的是什么?,F任CTO馬丁也非常了解客戶的心理和需求。”

    ASML構建的“客戶同盟”,也在其面臨困境時給予了巨大幫助。為解決資金困境,2012年ASML提出“客戶聯合投資計劃”,客戶入股可以保證最先拿到最新設備。

    從ASML的股東構成看,既有資本國際集團、貝萊德集團等投資管理企業,也有IBM、三星、海力士、臺積電等客戶??梢哉f,大半個半導體行業,都是ASML的合作伙伴,從而形成了龐大的利益集團。

    這不僅可以幫助ASML穩固其行業壟斷地位,也提高了行業壁壘。

    政府補助不是絕對必要因素?

    ASML的崛起,也離不開運氣成分。

    在尼康“點錯科技樹”之前,世界光刻機的領導者是美國公司GCA。

    雷吉梅克回憶,1984—1986年的經濟衰退,導致市場領導者GCA退出行業競爭。這家公司一度幾乎破產,由于美國將其技術納入國家戰略,才得以繼續存活。

    GCA、尼康的“不幸”遭遇,使得ASML一路成為光刻領域的領導者。

    其實,ASML在成立之時,發展得并不順利。得益于政府部門的補貼,才堅持下來。

    “通過歐洲基金和荷蘭政府早期的補貼,ASML獲得了大量資金。飛利浦等在前3年向其投資了1.32億荷蘭盾。”雷吉梅克認為,盡管ASML一直處于政府支持狀態,但也有中國企業不需要政府補助,也能獨立生存下來,因此,這并不意味著更多企業應該效仿ASML的崛起之路。

    “在某種程度上說,政府補助是件好事。政府有能力提供資金,確保在競爭中有充分的彈藥支持,這是提高競爭力的重要因素之一。但同時,我不認為這是一個絕對必要的因素。”雷吉梅克說,對于這項具有戰略意義的技術,即便一個國家不惜虧損地投入,也并不意味著一定能發展出一家龍頭企業,“甚至美國都沒有做到這一點。”

     

    雷吉梅克:如果沒有限制,中國肯定能在5至10年內完成追趕

    《中國經濟周刊》:中國市場對ASML意味著什么?鑒于當前的國際形勢,ASML進入中國市場的前景如何?您認為ASML和中國可以在哪些方面進行合作?

    雷吉梅克:ASML已經向中國供應機器。我認為中國將成為最大的芯片制造商。在過去的3年中,中國在ASML的銷售額占比已達10%~15%,而且無論是否可以將EUV機器交付到中國,這種增長都會繼續。

    不允許ASML向中國交付EUV機器的原因是美國對荷蘭政府施加的壓力。

    如果ASML能夠將EUV機器出售給中國,會如何?如果把7nm看作一個成熟的節點,我希望中國能在兩年左右的時間內進入量產階段。這需要投入巨大的精力。而5nm則需要更長的時間。如果沒有限制,中國肯定能在5至10年內完成追趕。屆時,第二代EUV將投入生產(3nm及以上),我認為這將是最后一代EUV或芯片光刻機。

    《中國經濟周刊》:ASML在世界各地都有供應商,甚至有人認為ASML所做的只是集成各種設備。您認為,使ASML成為全球領導者的核心競爭力是什么?在其與世界各地供應商合作的背景下,為什么其他公司不能生產先進的光刻機?

    雷吉梅克:ASML“只是集成各種設備”是一個謬論。

    ASML最初只是一家小公司,除了外包生產(如精密零件和鏡片)和購買標準零件(如激光器、傳感器等)外,別無選擇。

    它的核心競爭力是其發明、設計和生產非常復雜的系統的能力。集成所有子系統和組件的能力,這才是ASML真正的優勢所在。這是最復雜的部分——確保所有內容無縫協同工作,以實現高速、高精度的24/7操作。

    ASML已經收購了幾家最初是子系統供應商的公司,例如Cymer(激光和EUV光源)和Berliner Glas(微晶玻璃和光學組件)。進行這些收購的原因是,各個部門的工程師無法將子系統與步進器(半導體制造的一種關鍵設備)的其余部分集成在一起,ASML必須接管控制權。

    我認為對于ASML來說,有兩個至關重要的關鍵點:

    其一,ASML擁有大量的受保護的專利和知識產權。事實上,ASML是一個知識密集型企業。你可以理解為他們創建了一個新的實驗室,做了很多新的發明。而且他們非常擅長系統集成方面的知識,他們的工程師了解如何將這些制作光刻機所需要的元件集成在一起,也知道如何組裝一個光刻機。對于“ASML僅僅只擁有12%制造光刻機核心技術”的說法,我并不認同,我認為ASML已經掌握了超過一半的核心技術。

    其二,ASML仍然會從許多供應商那里購買關鍵部件。如果技術不能很好地轉讓給ASML,ASML就會告訴研究人員,讓他們按照公司的計劃去開展研究。

    在過去的36年中,ASML在研發方面投入了大量資金,如今每年在研發方面的支出約為20億歐元。這個“研發機器”現在非常強大,可以在需要時充當問題解決者的角色。每當發生危機時,總會有ASML研發應急團隊隨時準備解決問題。例如,當該行業未能為EUV制造開發標準時,ASML在很短的時間內發明了該技術。

    《中國經濟周刊》:光刻機是工業制造的明珠。為什么美國、德國、英國等工業基礎雄厚、科研實力強的國家沒有像ASML這樣的光刻行業巨頭?日本的尼康和佳能為什么不能成為像ASML一樣的公司?

    雷吉梅克:這是由于光刻機行業的復雜性和資本密集性。對于ASML的成功,我認為在很大程度上有運氣成分。

    荷蘭是一個小國,但它是飛利浦的故鄉。當飛利浦和ASML決定共同開展業務并開發機器時,ASML實際上是一個瀕死的嬰兒——它排在光刻機行業的末位。

    作為一家技術驅動的大型跨國公司,飛利浦在20世紀60年代和70年代取得了巨大成功。飛利浦研究中心在20世紀70年代開發了一種晶圓步進器,他們認為這會帶來技術優勢。幸運的是,晶圓步進器在飛利浦的一個技術角落中得以存活。

    美國人退出光刻機行業的競爭,是因為他們沒有長期計劃,而且GCA(美國公司,上世紀80年代初光刻機行業的全球銷量冠軍)的技術確實無法令人滿意。

    雖然德國等其他國家也在努力開發步進器,但我認為可能是因為復雜性和資本密集度,導致最終失敗。

    我認為,摩爾定律奠定了半導體產業的基礎,光刻機廠商之間必然存在激烈的競爭。如果他們無法及時地將自己的產品推向市場,就會退出光刻機的主流市場。自上世紀90年代中期開始,ASML將機器推向市場的速度就比尼康和佳能還快。

    在1984年時,ASML還是這個行業名單上的倒數第一。盡管如此,他們仍然下定決心要成為光刻機的NO.1。用ASML的話說,爭取第二名或第三名是沒有用的,只有當你成為第一名,才能成為贏家。如果一開始沒有成為第一名的雄心,就沒必要開始,這個觀點適用于任何將復雜產品或資本轉化為生產或服務密集型的行業。

    《中國經濟周刊》:中科院宣布將攻堅光刻技術,您認為他們必須解決的問題和難點有哪些?ASML的成功能否被復制?

    雷吉梅克:這項技術非常復雜,中國可能需要很長時間才能制造出晶圓步進器。我認為中國能夠開發出相當先進的DUV機器,但是EUV將會面臨挑戰,例如真空、鏡面投影、非常先進的控制系統。

    即便中國開發出了晶圓步進器,ASML將會有更先進的技術進入市場。

    但毫無疑問的是,中國擁有足夠的資金和知識儲備,一旦擁有設備,就可以啟動先進晶圓工廠項目。

    我認為使用DUV技術和多重圖案,也可以生產很多新一代的芯片。未來芯片的設計和應用創新是中國必須重點關注的領域。

    即使是ASML的頂級技術人員,也不了解整個機器的全貌,只有少數人能夠理解機器是如何工作的。即使其他國家的公司參與到光刻機的競賽中,也沒人會低估光刻設計的難度,而且它是極難復制的。

    ASML在光刻機方面擁有大量的專利,且ASML非常重視專利保護,他們研發機器的所有技術都是最高機密。

    過去,由于摩爾定律的存在,參與這場競賽的唯一機會就是制造出一臺比競爭對手更先進的機器,這是上世紀80年代的游戲規則,到上世紀90年代就已經不是這樣了。

    如果你想制造出一臺光刻機,就需要在技術上投入大量的資金和人力,然而這樣的技術也只能維持幾代人。想復制ASML的成功,需要企業同時擁有資金、人才、政府支持以及歷史性的機遇。對于中國來說,與其投資半導體這種已經很傳統的技術,不如先購買ASML的產品,并專注于研發不同于光刻機的技術路線,從而在硅基技術之后打造未來的信息系統。

    (本文刊發于《中國經濟周刊》2021年第3、4期)


     

    2021年第3、4期《中國經濟周刊》封面

    2021年第3、4期《中國經濟周刊》封面

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