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杏彩体育官网app光刻机之战_芯片_晶体管_技术

2024-04-08 02:04:55| 来源:杏彩体育官网入口 作者:杏彩平台客户端

  1984年4月1日,47名飞利浦员工被选中,不情愿地转进新的合资子公司ASML,他们将在几间靠近垃圾堆的狭小简易房中办公、开发光刻机。这个意志消沉的初创团队可能不会想到,30多年后,ASML将成为全球最大的光刻机制造商,市值远超原来的母公司飞利浦。

  这家荷兰最大的出口商、荷兰最大的技术雇主和世界最大的芯片设备制造商,后来搬到了人口不到30万的荷兰南部城市维尔德霍芬,并在此持续影响整个IT行业的发展速度。

  回到原点来看,整个数字世界本质上就是无数的0和1。比如iPhone上的每一个APP、每一张照片和每一段短视频,所有这些最终都是由1和0组成的海量字符串。这些数字都要经过芯片,而芯片是由几百万个甚至几十亿个晶体管组成的网络,每个晶体管都是一个电子开关,通过电流开(1)或关(0)来处理和存储这两个数字。用手机点外卖、发朋友圈、打游戏,本质上是手机里的芯片,还有互联网平台服务器里的芯片,在同时处理无数的0和1。

  1945年最先进的计算机,是宾夕法尼亚大学为美国陆军建造的“埃尼阿克”(ENIAC),有18000个真空管当“开关”,用于计算炮弹轨迹,每秒可以计算数百个乘法,体积庞大,占据了整个房间。此后科学家找到了更小、更快、更便宜的“开关”——晶体管。到1969年7月,将阿波罗11号带上月球的计算机使用仙童公司(Fairchild)的芯片,占据了大约1立方英尺的空间,是“埃尼阿克”的千分之一。

  1961年,仙童发布第一款芯片,其中只嵌入了4个晶体管而已,但很快,该公司就设计出了在芯片上放置十几个晶体管的方法,然后是100个……仙童联合创始人戈登·摩尔在1965年发现,随着工程师们学会制造越来越小的晶体管,每个芯片上可安放的元器件数量每年都会翻倍。这一对芯片计算能力指数级增长的预测,就是著名的“摩尔定律”,摩尔由此预测了在1965年看似疯狂的“未来产品”,比如“电子手表”“家用电脑”,甚至“个人便携式通信设备”。

  摩尔定律几乎成了接下来半个多世纪计算机发展的路线年,每台iPhone 12上的A14处理器芯片都集成了118亿个微型晶体管。人人可以购买的手机,计算能力已经远超当年美国陆军的“埃尼阿克”。

  更强大的计算能力,却只需要更低的运算成本,关键就在更小的“开关”(晶体管),还有集成晶体管数量更多的芯片,这就是摩尔定律的魅力。

  在芯片制造的几百道工序里,光刻是最重要的步骤。一块芯片在整个生产过程中需要光刻二三十次,耗时占生产过程的一半,成本能占到三分之一。

  说光刻机影响了世界计算机的算力和信息的存储容量并不为过,考虑到芯片在现代国防军事上的广泛应用——美国芯片行业最早的订单即来自NASA和美国空军,用来引导火箭和导弹——对先进光刻技术的追求甚至超出了产业链安全的范畴,成为大国博弈和地缘波动的一个焦点。

  斯密特在加入ASML之前,在电信巨头美国国际电话电报公司(ITT)担任荷兰办事处的销售经理,他发现,该公司电信业务的利润显然正在螺旋式下降,很快就要见底。但在他接受该公司CEO职位之后,ITT的同事首先质疑了他的职业规划,同时他还听到了一些著名分析师的说法:ASM和飞利浦的合资企业注定以失败告终。

  这种说法并非空穴来风,在某种程度上,ASML是飞利浦为摆脱其一直烧钱的光刻机项目而成立的合资子公司,而合资方ASM并非飞利浦的首选,而是“将就”抓到的最后一根稻草。

  光刻机的工作原理,或者说现代芯片制作的基本原理本身并不难懂,这个过程大致包括:(1)画出线)把线路图刻到玻璃板上,制成掩膜(也叫光罩);(3)把掩膜上的线路图用强光投射到涂了光刻胶的硅片(晶圆)上,光刻胶被强光照射的部分变得可以溶解,这样就在硅片上曝光出了线)对硅片上的线路图多次使用刻蚀、扩散、沉积等工艺做出复杂的晶体管和电路网络。

  自德州仪器(TI)的杰伊·莱思罗普发明光刻技术以来,光刻机和芯片制造的基本原理没有太多改变。但随着制程(可粗略理解为芯片上晶体管的密集程度)的发展,光刻技术的研发和实现成本越来越高。

  以目前仅有ASML能制造的EUV(极紫外光)光刻机为例,先看光源,在莱思罗普发明光刻技术的时候,只需要一个简单的灯泡,但当发展到EUV阶段的时候,光源的复杂度已暴增到令人难以置信的高温——为了产生足够的EUV,需要用激光粉碎一个小锡球。已经被ASML收购的西盟(Cymer)自20世纪80年代以来一直是光刻光源领域的主要参与者,该公司由加州大学圣地亚哥分校的两位激光专家创立。西盟的工程师发现最佳做法是发射一个直径为三千万分之一米的小锡球,使它以时速约200英里的速度穿过真空。 然后以激光照射那颗锡球两次,第一次是加热它,第二次是以太阳表面温度好几倍的高温把它轰击成电浆体。这种轰击锡滴的过程,每秒重复5万次,就能产生制造芯片所需的EUV量。

  再看镜头,起初莱思罗普只用把普通显微镜颠倒过来即可,但到了EUV阶段,对反射镜的工艺精度要求极高,直径30厘米的反射镜要求起伏不到0.3纳米,这相当于是做一条从北京到上海的铁轨,要求起伏不超过1毫米。或者用ASML现任CEO韦尼克的话来说:“如果反射镜面积有整个德国大,最高的突起处不能高于1厘米。”

  再看机台,光刻机一次曝光的区域,只有指甲那么大,一块直径12英寸的晶圆全部曝光一遍,要移动好几百次。如今的光刻机每次移动的定位,要精确到几十纳米,相当于头发丝直径的几万分之一。如果两辆车以每小时3万公里的速度并行,两者差值必须小于0.5毫米,才能达到与光刻机一样的精度。

  芯片行业时间就是金钱,滞销的过时产品价格断崖下跌很普遍。所以,光刻机必须24小时连续工作,全年停机时间不超过3%。让如此精密又复杂的机器长时间连续稳定工作,是工程学上的巨大挑战。

  即便回到ASML刚成立的1984年,光刻机的研发也耗资巨大,因为迟迟不能盈利,连财大气粗的飞利浦也准备取消这一“非核心业务”,如果出售行不通,合资也行。其实如果当时飞利浦光刻机项目的决定人特罗斯特(此人后来曾短暂担任ASML CEO)不动用只有他掌握的隐藏储备金,飞利浦光刻机项目可能会更早停止。飞利浦的财务主管们之所以容忍特罗斯特的这种特权,是因为他们都依赖特罗斯特的其他项目为公司创造的业绩。

  本来当时美国的光刻机巨头Perkin-Elmer已经对和飞利浦合作表示兴趣,该公司已经在全球卖出了数千台Micralign光刻机。英特尔1978年6月推出了著名的8086处理器,就是用Micralign制造。在20世纪70年代末,Perkin-Elmer拥有90%的光刻市场份额,几乎和最顶尖芯片制造者都有往来:从大学到IBM、英特尔和NEC等巨头。

  Perkin-Elmer拥有巨大的市场份额、强大的客户群和全球范围内的机器销售渠道,它似乎是帮助飞利浦在光刻机市场摆脱困境的理想选择。但飞利浦却因为未能及时决策和给出回应,拖黄了这次绝佳的机会。

  ASM的CEO阿瑟·德尔·普拉多年轻时曾在哈佛商学院学习,在美期间被硅谷计算机芯片产业的乐观和野心打动。荷兰一份著名的报纸后来引用他的话说:德尔·普拉多返回荷兰时,一手拿着晶圆,一手拿着500美元。他将自己的公司命名为先进半导体材料公司(ASM)。

  普拉多干得很成功,ASM于1981年成为第一家在纳斯达克上市的荷兰公司。1978年,公司收入1400万美元;到1983年,收入又增长了6倍。而同期的飞利浦和Elcoma的芯片厂却裁员数千人。在普拉多看来,他已经能够造出除光刻机外的几乎所有芯片生产设备,只要加上光刻机,他就可以成为一站式的芯片设备供应商。

  但对ASM的热情,飞利浦却很冷淡,原因首先是ASM的规模不够,1980年,ASM的收入才3700万美元。而据飞利浦方面计算,仅新一代步进光刻机的研发费用就将远远超过5000万美元;其次,与光刻机所需的先进技术相比,ASM制造线焊机所需的专业技术简直不值一提,飞利浦认为普拉多对光刻机的复杂性估计不足;最后,光刻机的销售与其他芯片生产设备不同,其他芯片生产设备的采购,经理层就能定,而光刻机的销售只有董事会才能决策,所以ASM的销售渠道对光刻机也没有帮助。

  但为了拯救光刻机项目,飞利浦方面最终主动联系了ASM。会议只持续了一个多小时,刨除普拉多离席与团队商量的时间,双方交谈的时间不到15分钟,ASM即决定与飞利浦合作。光刻机业务符合普拉多的雄心壮志。ASM制造了芯片生产过程中每一道工序需使用的机器,但对最具战略性的光刻机,他此前却未涉及。

  最终,双方合作设立50∶50的合资公司,即ASML。ASM出资210万美元,飞利浦则把在光刻机项目上库存的17套光刻机零部件等折价180万美元,再加30万美元现金作为出资。

  虽然接下来普拉多和ASM没能熬过ASML光刻机的“烧钱机器”时期,几乎在“印钱机器”时期前夜撤资出局,累计3500万美元的投资打了水漂,但他确实在关键时刻出手,让飞利浦的光刻机技术免于被埋没,也促成了ASML的诞生。

  他曾在代尔夫特理工大学学习航空工程,后获得NASA的奖学金进入马里兰大学学习。为欧洲空间研究组织(现为欧洲航天局)工作时,他曾写过一本70页厚的小册子,分析地球磁场中的非线性太阳风流。他的研究证实并解释了NASA第一颗卫星当时测量的数据。

  在与ASML员工的初次见面会后,斯密特立即联系了他在飞利浦的前同事,他们认为斯密特真是疯了才会接这么一个“烫手山芋”。

  先看团队,被飞利浦调到合资企业ASML的工程师处境尴尬——他们成了光刻市场的笑话,没有人相信他们能成功。ASML的员工甚至把新公司看作是“杠杆剥离”,与“杠杆收购”相对应——因为破产而分拆企业。他们都认为飞利浦只是想摆脱不必要的负担。

  再看既有产品,飞利浦16台即将生产出来的PAS 2000光刻机也移交给了ASML。这些光刻机采用油压工作台,需要配合的动力单元比机器本身还要大,这又产生了震动和噪音的问题,而且还有油污的风险。PAS 2000的光学部件来自法国,精度不够。有这些硬伤的光刻机很难卖出去。

  最后看市场情况,就在ASML成立的时候,当时的市场领导者GCA已交付数百台光刻机,亚军尼康也正在快速占领市场。ASML的市场份额是多少呢?零。

  但在和团队长时间谈话后,斯密特心中的迷雾开始消散,飞利浦光刻技术中的许多元素在当时仍然领先,其对准系统精确叠加芯片图案的技术非常先进,而且飞利浦的Natlab实际已经开发了替代油压工作台的电动晶圆台,这是竞争对手没有的优势。在当时,Natlab是世界的传奇,节能灯泡、便携式X光机、旋转剃须系统、录像机都出自该实验室。为在合资过程中保护自己的利益,飞利浦和ASM签订的合同十分苛刻,其中包括ASML每年向Natlab支付收入的1.5%作为研发费。


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