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光刻机霸主,光刻机大败局(三)

来源:头条 作者: chanong
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文| 姚坤

1984年4月1日,47名飞利浦员工被选中,无奈地调到一家新的合资企业ASML,在垃圾场附近的几间小而简陋的房间里开发和从事光刻设备的工作。这支郁闷的新贵团队或许从来没有想到,30多年后,ASML会成为全球最大的光刻设备制造商,远远超过其原来母公司飞利浦的市值。

“荷兰最大的出口商、荷兰最大的技术雇主和全球最大的芯片设备制造商随后迁往荷兰南部人口不足30万的维尔德霍芬城市,影响了整个荷兰的发展速度。”我继续说道。这就是IT行业。

曝光设备是否影响了整个IT行业的发展进度?

毫不夸张地说,光刻技术影响了整个IT行业的发展速度。

回到基础,整个数字世界本质上就是无数个0和1。例如,iPhone 上的每个应用程序、每张照片和每个短视频最终都是由一串1 和0 组成。所有这些数字都通过芯片,该芯片是由数百万或数十亿个晶体管组成的网络。每个晶体管都是一个电子开关,通过打开(1)或关闭(0)电流来处理和存储这些数字。用手机订外卖、发朋友圈、玩游戏,本质上是手机里的一颗芯片,也是互联网平台服务器上的一颗芯片,同时还有一百万个“0”和“1”。

计算机的计算能力取决于其通过计算机内部大量“开关”处理0和1的能力。

1945 年最先进的计算机是ENIAC,由宾夕法尼亚大学为美国陆军制造。这台计算机有18,000 个真空管作为“开关”,用于计算炮弹的轨迹。我能够计算数百次乘法和体积。它很大,占据了整个房间。此后,科学家们发现了一种更小、更快、更便宜的“开关”——晶体管。到1969 年7 月,将阿波罗11 号发射到月球的计算机使用了Fairchild 芯片,占用的空间约为立方英尺,比ENIAC 小1/1,000 倍。

1961 年,Fairchild 发布了第一款只有4 个晶体管的芯片,但该公司很快就想出了如何在一个芯片上放置12 个晶体管,然后是100 个晶体管。 Fairchild United 创始人戈登·摩尔(Gordon Moore) 在1965 年写道,随着工程师学会制造越来越小的晶体管,每个芯片上可安装的组件数量每年都会增加一倍。著名的“摩尔定律”预测了芯片计算能力的快速增长。 1965年,摩尔预言了电子钟、家用电脑、甚至个人电脑等疯狂的产品。 “.移动通信设备。”

摩尔定律成为近半个世纪左右计算机发展的路线图。到2020 年,每部iPhone 12 的A14 处理器芯片将集成118 亿个微型晶体管。任何人都可以购买的手机的计算能力远远超过了美军的Eniacs。

更强大的计算能力需要更低的计算成本。关键在于芯片具有更小的“开关”(晶体管)和更多集成的晶体管。这就是摩尔定律的美妙之处。

维持摩尔定律的关键在于光刻设备。

在芯片制造的数百道工序中,光刻是最关键的一步。该芯片在整个制造过程中需要20到30道光刻步骤,占制造工艺的一半和成本的三分之一。

可以毫不夸张地说,光刻设备影响了世界计算机的计算和信息存储能力。鉴于芯片在现代国防和军事中的广泛应用,——是美国芯片行业的第一个订单,NASA和美国空军用它来引导火箭,He导弹——先进的光刻技术追求超越产业链安全范围已成为大国竞争和地缘政治波动的焦点。

《混乱》ASML

但当ASML首任CEO贾里德·斯密特(Jared Smit)接任时,该公司远离了聚光灯,甚至陷入了混乱。

在加入ASML之前,Smit先生在电信巨头国际电话电报公司(ITT)荷兰分公司担任销售经理,该公司的电信业务利润明显下滑,已经触底。然而,在他接受公司CEO职位后,ITT的同事最初对他的职业规划提出了质疑,而且他还受到一些著名分析师的批评,认为ASM-飞利浦合资公司会失败,听说这是注定的。

这种说法并非没有根据。从某种意义上说,ASML是飞利浦为了淘汰一个浪费钱的光刻设备项目而设立的合资子公司。但合资伙伴ASM并不是飞利浦的首选,但它“做到了”。最后一根稻草。

连飞利浦都无法“烘烤”的光刻机

光刻设备的工作原理并不难理解,是现代芯片制造的基本原理,但其流程大致包括(1)绘制电路图,(2)将电路图放置在玻璃板上。就是雕刻。掩模版(也称光掩模);(3)当掩模版上的电路图用强光投射到涂有光刻胶的硅片(wafer)上时,光刻胶受到强光照射的部分变得可溶。 (4) 硅片上的原理图通过重复蚀刻、扩散和沉积等工艺暴露在硅片上,以创建复杂的晶体管和电路网络。

自从德州仪器(TI) 的杰伊·拉斯罗普(Jay Lathrop) 发明光刻技术以来,光刻设备和芯片制造的基本原理并没有发生太大变化。然而,随着制造工艺(可以宽松地理解为芯片上晶体管的密度)的进步,光刻技术的开发和实施成本变得越来越高。

以EUV(极紫外)曝光设备为例,目前只有ASML制造。让我们从观察光源开始。当Lathrop 发明光刻技术时,所需要的只是一个简单的灯泡,但随着它演变成EUV,此时光源的复杂性已经爆炸到令人难以置信的高温,为了产生EUV,必须用雷射。 Cymer被ASML收购,自20世纪80年代以来一直是领先的光刻光源公司,由加州大学圣地亚哥分校的两名激光专家创立。西盟工程师发现,做到这一点的最佳方法是以大约每小时200 英里的速度通过真空发射一个直径为百万分之三十米的微小锡球。接下来,用激光照射锡球两次,加热一次,然后用几倍于太阳表面温度的高温等离子体对其进行照射。这种锡滴碰撞的过程每秒重复50,000 次,产生制造芯片所需的EUV 量。

看镜头,Lathrop先生最初只是简单地将普通显微镜倒置,但到了EUV阶段,镜面加工精度极高,要求直径30厘米的镜面波动小于0.3纳米。对应的事实是,建设一条从北京到上海的铁路线需要小于1毫米的变化。用ASML现任CEO韦尼克的话说:“如果反射镜的面积和整个德国一样大,那么最高的突出部分就不能超过1厘米。”

再看设备,光刻设备一次只能曝光指甲盖大小左右的区域,而要想一次性完全曝光12英寸直径的晶圆,必须移动数百次。当今光刻机中每个运动的定位必须精确到数十纳米,这是人类头发直径的数万倍。如果两辆车以每小时3万公里的速度平行行驶,它们之间的差异必须小于0.5毫米,才能达到与光刻设备相同的精度。

在芯片行业,时间就是金钱,不再销售的旧产品价格暴跌是很常见的。因此,光刻设备必须每天24小时连续运行,每年的停机时间不得超过3%。如何保持如此精密复杂的机器长时间稳定、连续运行是一项重大的工程挑战。

1984年ASML成立时,曝光设备的研发还没有盈利,而且花费巨额资金,就连财大气粗的飞利浦也准备终止这项“非核心业务”。如果出售不成功,合资企业就会成功。事实上,如果时任飞利浦光刻设备项目决策者(后来短暂担任ASML CEO)的特罗斯特先生没有动用他一人掌控的隐性储备,飞利浦光刻设备项目本来可以更早被取消了。飞利浦的财务主管容忍了特罗斯特的特权,因为公司依赖于特罗斯特其他项目的绩效。

ASML:菲利普斯和ASM 的“不情愿”婚姻

最初,美国光刻设备巨头PerkinElmer 有兴趣与飞利浦合作,飞利浦已在全球销售了数千台Micralign 光刻机。 1978 年6 月,英特尔推出了著名的8086 处理器,由Micralign 制造。 20 世纪70 年代末,PerkinElmer 拥有90% 的光刻市场份额,并与几乎所有顶级芯片制造商都有业务往来,从大学到IBM、Intel 和NEC 等大公司。

珀金埃尔默凭借其巨大的市场份额、强大的客户基础和全球机器销售渠道,似乎是拯救飞利浦在光刻机市场困境的最佳选择。然而,菲利普斯却因未能及时做出决策和反应而耽误了这个黄金机会。

在与其他几个潜在合作伙伴的谈判失败后,菲利普斯只剩下一个选择:与ASM 合作。

ASM首席执行官Arthur Del Prado年轻时就读于哈佛商学院,在美国期间就被硅谷计算机芯片行业的乐观和雄心所感动。荷兰一家著名报纸后来援引德尔普拉多先生的话说,“当德尔普拉多先生回到荷兰时,他一手拿着一块威化饼,另一只手拿着500美元”。他将自己的公司命名为先进半导体材料(ASM)。

Prado 非常成功,以至于ASM 于1981 年成为第一家在纳斯达克上市的荷兰公司。 1978 年,公司的收入为1,400 万美元,但到1983 年,收入增加了六倍。大约在同一时间,飞利浦和埃尔科玛芯片工厂解雇了数千名工人。普拉多表示,它已经建造了除光刻设备之外的几乎所有芯片制造设备,如果加上光刻设备,它可以成为一站式芯片设备供应商。

但菲利普斯对ASM的热情却非常漠视。第一个原因是ASM 规模不够大。 1980年,ASM的收入仅为3700万美元。飞利浦预计,仅新一代步进光刻设备的研发成本就将远超5000万美元。其次,相比光刻设备所需的先进技术,ASM这根本不值得一提。飞利浦认为,普拉多低估了光刻设备的复杂性;最后,光刻设备销量相形见绌,其他芯片制造设备的采购可以由管理层决定,但曝光设备的销售数量可以由管理层决定,销售额只能由董事会决策,ASM销售渠道对曝光设备没有用处。

不过,为了挽救光刻设备项目,飞利浦最终主动联系了ASM。会议持续了短短一个多小时,双方交谈时间不到15分钟,这还不包括Prado离开会议与他的团队协商的时间,之后ASM决定与飞利浦合作。光刻机械业务符合普拉多的雄心。 ASM 生产芯片制造过程每个步骤所需的机器,但到目前为止,它还没有最具战略意义的光刻设备的经验。

最终,两家公司合并成立了一家50:50 的合资企业ASML。 ASM投资210万美元,飞利浦将光刻设备项目库存的17套光刻设备零部件打折至180万美元,并追加30万美元现金投资。

Prado和ASM无法熬过ASML光刻设备的“烧钱机”时代,在“印钞机”时代前夕撤回了大部分资金,浪费了总投资3500万美元。不过,他表示这:通过不断的行动,他阻止了飞利浦的光刻技术被淘汰,也促成了ASML的诞生。

一个人接起了“烫手山芋”

对于斯密特来说,担任ASML 首席执行官有点“重聚”的感觉。

他在代尔夫特理工大学学**航空航天工程,然后获得美国宇航局奖学金在马里兰大学学**。在欧洲空间研究局(现为欧洲航天局)工作期间,他写了一本70 页的小册子,分析地球磁场中非线性太阳风的流动。他的研究证实并解释了美国宇航局当时第一颗卫星测量的数据。

1969年,他加入飞利浦,但因无法忍受公司内部的官僚作风,一年后选择离开。

在与ASML员工初次会面后,斯密特先生立即联系了他在飞利浦的前同事,他们表示,认为斯密特先生会接手这样一个“烫手山芋”,他们并不疯狂。我就是这么想的。

首先我们看团队,被飞利浦调到合资公司ASML的工程师处境很尴尬,他们成为了光刻机市场的笑柄,没有人相信他们能成功。 ASML员工甚至将新公司形容为“杠杆出售”,可与33,354家因破产而解散的公司的“杠杆收购”相媲美。他们都认为菲利普斯只是想减轻他们不必要的负担。

从现有产品来看,16台即将上市的飞利浦PAS 2000光刻机也已移交给ASML。由于这些绘图设备使用液压工作台,因此需要比设备本身更大的动力装置,这会带来振动、噪音和油污风险等问题。 PAS 2000的光学元件是法国制造的,不够精确。有这样缺陷的光刻设备很难销售。

最后看市场情况,ASML成立时,当时的市场老大GCA正在交付数百台光刻机,而亚军尼康正在迅速占领市场。 ASML 的市场份额是多少?零。

但在与团队进行了长时间的交谈后,苏米特的精神迷雾开始消散。飞利浦光刻技术的许多要素在当时仍然处于领先地位。精确覆盖芯片图案的对准系统技术非常先进,飞利浦的Natlab 电动晶圆台实际上是作为液压台的替代品而开发的,这是其竞争对手所不具备的优势。当时,Natlab 是世界传奇,节能灯泡、便携式X 光机、旋转剃须系统和录像机都来自该实验室。为了在合资过程中保护自己的利益,飞利浦和ASM签署的协议非常严格,其中包括ASML每年向Natlab支付其销售额的1.5%作为研发费用,ASML还有机会获得一切都来自Natlab。我们要推进光刻设备的发展。

找到钱,制造一台机器然后卖掉

斯密特认为,客户最终决定ASML的命运。 1984年5月底,他飞往加利福尼亚州圣马特奥市,参加SEMICON West展会并参观硅谷芯片制造商,但受到了沉重打击。

这家美国芯片制造商告诉斯密特,安装基础(在客户工厂运行的机器数量)本身很重要。售后服务很重要,因为光刻设备非常复杂,很小的因素都可能导致其故障,而芯片工厂希望最大限度地减少停机时间。 GCA 拥有数百名服务工程师,大部分时间都在现场工作。 ASML不卖机器,没有服务部门,也没有芯片生产的实践经验。与此同时,GCA 和尼康已经安装了数百台机器。

芯片行业正在尽最大努力保持摩尔定律的有效性,从大规模集成电路(LSI)到超大规模集成电路(VLSI)的过渡需要新技术。一代光刻机。芯片生产线将缩小到1/1000mm以下,光刻设备将加工6英寸晶圆而不是4英寸晶圆。这一转变将在未来两年内进行。新一代光刻设备可以在晶圆上写入0.7 微米的细节,从而实现更紧密的微电子集成。斯密特在展会上清楚地了解到,目前还没有人找到针对此类芯片的光刻解决方案。佳能、GCA、尼康和珀金埃尔默制造的机器仍然使用丝杠来移动晶圆台,其图像细节无法实现亚微米定位精度,而这正是ASML 技术的优势。

作为一名航空爱好者,苏米特在本科学**和博士期间研究了航空业的重组,这使得世界上飞机制造商的数量从50 家减少到了几家。在ITT任职期间,施密特先生也经历了电信行业的变革。他知道,新兴制造商除非能够实现重大技术进步,否则在成熟市场上没有机会。

目前有Smit和ASML两种选择。要么在开业前就关门,要么在两年内提供成熟的超大规模集成电路光刻机来主导市场。

苏米特在激励他的团队时使用了体育类比。按照他的描述,ASML 接下来的做法类似于篮球场上的“跑轰”战术。他们在短时间内花钱建造一台机器,并最终将机器出售。

你想要一亿美元吗?

不过,飞利浦可能需要10 年的时间来打造新一代机器,而ASML 只有两年的时间。公司的工程师必须突破传统的研发模式。解决方案是将机器分成单独的模块,每个模块都由专业团队开发。并联模块。真正的问题在于组装的最后阶段。传统方法对所有子系统进行一一测试。如果一个子系统出现问题,其他子系统就只能等待。仅通过同时构建五个原型并让五个团队并行工作,ASML 就能够将测试和组装阶段从两年半缩短到六个月。在高峰时期,需要250 名工程师同时工作。

工程团队提出了1 亿美元的报价,但相信斯密特永远不会让董事会接受。斯密特并不担心,他正在ITT 处理更大规模的投资。经过八天的心里排练后,苏米特向董事会提交了这份庞大的预算。他的演讲充满激情,描述了他在展会上看到的危机和机遇。他相信光刻设备行业也会重复同样的过程。按照通信领域的市场规律,新一代设备的研发投入是上一代设备的10倍,每一轮都会有厂商被淘汰。目前,大约有10家公司在争夺市场份额,只剩下少数了。

“所以我们至少必须进入前三名,”苏米特解释道。 “要进入前三,只有一个方法,就是投资行业顶尖。我们必须争取金牌。第三名还不够。我们必须争取第一。我们必须这样做。我们唯一的获胜的机会在于制定进取、创新和专注的策略。不可避免的洗牌显示了市场的残酷。如果我们幸运的话,你最终会到达顶峰。你还不是太成功,所以你会可能会获得第三名。如果你运气不好,你会获得第六名。但你会对第三名或第六名感到满意。如果是这样,最好停下来。你就完了。 “我们别无选择,只能力争上游。我们别无选择。这是我们唯一的生存机会。”

斯密特让董事会面临要么付清债务,要么让ASML 破产的选择。

董事会的初步答复是“是”,Phillips 和ASM 各自决定增资150 万美元。董事会希望斯密特自己找到投资并制定更详细的计划,这样他就可以推动他的团队建造汽车。他们将这款新产品命名为PAS 2500,并计划在1986 年SEMICON West 展会上展示该机器。

我们不能因为急于工作而向飞利浦学**。

斯密特为ASML注入了一种与飞利浦完全不同的“非正式文化”,为了激励原本士气低落的团队,斯密特制作了一个卡通幻灯片,这对于以前在飞利浦工作过的工程师来说是全新的东西。我什至要求人们创建一个。事物。

ASML为了快速招聘大量工程师,发布了第一个招聘广告,而且ASM和飞利浦的标志非常醒目,让人以为在ASML工作就是在飞利浦工作,真是太棒了。斯密特因此受到菲利普斯的斥责,但他假装不知道自己不应该这样做。广告还表示,无需回复信件或发送简历。如果您想申请,请在下午6 点至10 点之间致电。这种做法在当时是非常不寻常的,事实上,ASML 通过电话发起了第一次淘汰。由于经济形势不佳,许多工程师前往荷兰寻找工作,该广告吸引了约300名求职者。

ASML的生产方式与飞利浦完全不同,而且为了追求研发速度和出货量,ASML不可能所有东西都自己制造,公司的一个重要策略就是尽可能外包.它是其中之一在成立的最初几个月,ASML 决定将自己定位为一家研发和组装公司。这在当时是闻所未闻的。

ASML经常不得不寻找其他供应商,因为飞利浦的一些子公司无法按时交货,但到了20世纪80年代末,一些利基领域的较小供应商收到了ASML规模的订单,这足以维持运营。 ASML著名的外包生态系统的种子是在过去几年种下的。

为了管理庞大的供应链和生产流程,ASML 要求开发人员尽早参与生产并实现组件选择。所有调整,包括所有螺钉和螺母调整,都必须如实地记录在物流系统中。这不仅为供应商备货时提供了清晰的思路,也让ASML 能够更好地了解每个组件的到货进度。为了将10,000 个零件从河流转移到海洋,ASML 最初花费了数百万美元从施乐购买物流和供应链系统,并雇用全职员工来监督系统的输入。

目前,经济衰退的初步迹象正在显现,芯片制造商变得越来越谨慎。因此,Smit希望客户能够尽快开始试用机器,而不是等待两年后的PAS 2500。

因此,ASML 团队在六个月内,在PAS 2000 的基础上制造了一台过渡机器PAS 2400,并用Natlab 机电工作台取代了液压机械工作台。一路走来,以初创公司的节奏赶工的ASML 工程师不得不与飞利浦的节奏抗衡。如果ASML 工程师在周五下午打电话询问零件,菲利普斯会说:“现在已经快5 点了,所以我们不可能在周末之前拿到零件。”飞利浦员工不加班。解决办法是给他们一点现金、几瓶啤酒和一两瓶葡萄酒。 ASML 工程师总是有装满啤酒和葡萄酒的箱子,以便尽快从飞利浦获得订购的零件。此外,员工可能会以现金支付加班费。

在1985 年的SEMICON West 贸易展上,一位ASML 工程师将展会手册中描述的PAS 2400 与竞争对手的机器进行了比较。虽然他熟悉的其他机器在演示期间出现了问题,并且展位经常关闭进行维护,但PAS 2400 大部分时间都处于关闭状态,但始终正常运行。

为了跟上PAS 2500,一些ASML 员工工作到深夜。 ASML 在维尔德霍芬租了一套房子。如果离家较远的工程师加班到深夜,可以直接在那里睡觉。他们把睡袋放在汽车后备箱里,以防所有的床都被占了。

PAS 2500 原定于1986 年1 月1 日完成,但最终于1986 年5 月初的SEMICON West 贸易展上完成。 ASML的工程师观察了竞争对手的展位并进行了快速调查。他的第一个问题是:哪家公司拥有最好的光刻设备?所有反对者都回答:“我们。”下一个问题:谁拥有第二好的机器?所有对手都说“ASML”。

如何击败AMD、美光和台积电

1986年初,ASML的第一个客户——一家小型芯片制造商MMI购买了PAS 2400。自此,ASML终于成为一个拥有安装基础的全新竞争对手。尽管PAS 2400 只是一款过渡机器,但MMI 对它非常满意,以至于制造总监允许ASML 在1986 年初投放的广告中使用他的照片。确实如此。

PAS 2500在1986年SEMICON West贸易展上的亮相也吸引了另一位客户Cypress,其首席执行官Rogers提出了相当多的要求。 “你拥有世界上最好的机器,”罗杰斯告诉施密特。这是我公司的股票。 ”

这样的股份制利益共同体其实在芯片行业并不少见;例如,为了加强与主要供应商蔡司的关系,ASML后来收购了蔡司旗下半导体制造技术集团(SMT)的股份而获得。

随后,ASML首席财务官设法与NMB银行安排了此次股票购买的资金,ASML也收到了Cypress的订单。

但当时Smit 最想要的客户是AMD。为此,他毫不畏惧在公开场合向AMD CEO杰里·桑德斯“喊话”。

在SEMICON West的春季宴会上,桑德斯感叹美国芯片设备制造商的质量和服务太差,以至于他不得不从日本购买设备。因此,Smit 在一本贸易杂志上刊登了一则广告,标题是“我们听到你的声音,Jerry”,广告的文字是“ASML 光刻机接受了Jerry Sanders 的可靠性挑战,实现了90% 的正常运行时间。我向你保证,几乎是光刻机的两倍。”“杰里,你不必担心圣安德烈亚斯断层上的地震。我们的机器不会坏。”

1986年秋天,AMD要求相关管理员预先准备购买PAS 2500的文档。但在最后一刻,桑德斯先生并没有下达命令。当时行业还处于衰退期,我们没有多少钱,所以我们想等到市场明显复苏后再做决定。这个取消的订单占了ASML当时产能的一半。

1987 年6 月1 日,AMD 签署了购买25 台PAS 2500 的协议。说服AMD 的是MMI 的ASML 机器,而不是Smit。当AMD 收购MMI 并检查其库存时,他们发现角落里有一台积满灰尘的Perkin-Elmer 机器。与此同时,六台PAS 2400在ASML服务工程师的支持下持续生产晶圆,因此AMD终于能够“买进”ASML。

同样的事情在20世纪90年代初再次发生,当时三星参观了ASML的客户美光的工厂,主动联系ASML,几经周折才达成联盟。

20 世纪80 年代末,ASML 收购了两个主要客户。

首先是美光。经过协商,ASML 决定派遣一支服务人员团队,目标是确保PAS 2500 满足ASML 承诺的所有规范。这是为了增加每天的平均晶圆吞吐量并减少最大机器停机时间。 ASML还规定,如果机器性能提高,将分享利润。接下来的几年里,美光科技稳步增长,ASML 也受益匪浅。尽管大多数美国公司已将内存领域割让给日本,但美光科技仍在生产,目前是全球最大的半导体存储和成像产品制造商之一。

另一个是台积电。 1987年台积电成立时,飞利浦以5800万美元获得27.5%的股份,以换取其芯片技术。台积电也算是飞利浦的子公司,但它充分利用了这个优势,让与ASML的谈判变得复杂化,台积电拒绝支付服务费,最终给了ASML两个拳头。合同我给你发了。

1988年底,台积电刚完成机器安装工作,就发传真说工厂被烧毁,需要17台新机器。这个订单让ASML在关键时期有了一些喘息的空间。一些退回的机器有轻微的烟雾损坏,而且许多很容易修复。 1989年,台积电旗下保险公司——成为最后一家实质性财务赞助商,并于同年成为ASML最大客户。

然而,在ASML接到AMD的订单后不到四个月,斯密特就辞去了ASML首席执行官的职务。从财务角度来看,Sumit 离开时ASML 的处境比1984 年成立时还要糟糕。到1987年底,公司已经花费了近5000万美元。计划销售目标未能实现,ASML继续亏损。 ASM和飞利浦之间的蜜月期已经结束。然而,ASML已经拥有一支富有创造力的独立开发团队,以及成熟的物流和量产系统。

Sumit 被ASML 的CFO 抱怨为“花钱大手大脚”,尽管公司正在亏损,Sumit 仍继续聘用外部顾问,这些顾问的账单为700 美元,甚至还支付了顾问前往美国的旅行费用。这自然会引起周围人的不满。但如果不是他注重机会而非成本,在行业低迷的情况下仍主张投资,并从一开始就登上顶峰,ASML永远不可能在光刻设备领域取得主导地位。领域。本来应该是。

熬过没有工资的最黑暗时刻

现在回想起来,1984年到1987年的长期市场低迷实际上给了ASML一些喘息的空间。如果没有经济衰退,佳能和尼康很可能会占领整个市场,因为ASML和美国光刻设备巨头GCA的主要供应商蔡司的产能太差了。即使有大订单,ASML 1986年和1987年的产能也根本无法满足。经济衰退对佳能和尼康的影响远大于ASML。

1988年春天,ASML经历了最糟糕的时刻,无力支付工资,只能靠菲利普斯的130万美元汇款维持生存。同年,ASM筹集资金以避免ASML破产,菲利普斯承担了ASM在ASML的股份和债务。

正是PAS 5500 最终扭转了ASML 的局面。该机器采用了类似乐高的模块化系统,可以像模型套件一样进行拆卸和组装。使用以前的光刻设备,如果需要更换镜头,芯片制造商通常不得不停产数周,并花费大量资金。

ASML 准备了“Performance”来为潜在大客户IBM 组装PAS 5500。当IBM因国际形势无法飞往荷兰看机器时,ASML

ML选择录好“演出视频”去IBM,结果这台设备的先进程度让IBM的人十分激动。 1993年的前几个月,资金开始加速流入ASML。订单量和交货量齐升,最新的光刻机卖出了高得多的价格,服务和升级的收入也在增加。1992年,公司的年收入从8100万美元跃升至1.19亿美元,ASML现在终于可以靠自己生存了。虽然那一年公司依旧亏损2000万美元,这主要是因为PAS 5500诞生前的“阵痛”。PAS 5500使公司的现金流不断增长。在公司的历史上,资金首次正向流入,而不是流出去。 ASML用支票偿还了1992年5月飞利浦2100万美元的“输血款”,一天后,飞利浦财务部门负责人打来电话,请ASML再也不要用支票支付这么大一笔钱了,这样公司损失了两天的利息。 1995年,ASML成功上市,不过不是在荷兰,他们在路演时得到的反馈很冷淡,连养老金都不相信他们,他们只能转向纳斯达克。在美国上市,以及美资股东引入,可能是ASML后来能避开一些地缘限制的原因。 等到1996年,ASML的一些员工开始穿着印花T恤四处走动,T恤上面写着:我们将打败日本人。 打败日企 浸入式光刻是ASML打败尼康的关键节点。 20世纪90年代末,光刻光源被卡在193nm无法进步,摩尔定律受阻,科学家和产业界提出了各种方案。 最后胜出的是一个工程上最简单的解决办法,在晶圆光刻胶上方加1mm厚的水。水可以把193nm的光波长折射成134nm。浸入式光刻成功翻越了157nm大关,直接做到半周期65nm。加上后来不断改进的镜头、光刻胶,还有FinFET等技术,浸入式193nm光刻机一直做到7nm制程(iPhone XS搭载的A12芯片就采用7nm制程)。ASML现任CEO韦尼克曾说:“iPhone能出现,是因为浸入式光刻技术。” 2002年台积电的林本坚博士提出了浸入式193nm的方案,随后ASML在一年的时间内就开发出样机。而台积电也成为了第一家实现浸入式量产的公司,自此追上了之前制程领先的英特尔。 浸入式改进小、效果大、成本低,几乎没有人去订购尼康几乎同时推出的157纳米干式光刻机。虽然尼康只用了一年时间就完成了对浸入式技术的追赶,但ASML已经抢先夺下IBM和英特尔等许多大客户的订单。 这导致后面尼康不再强势。尼康在2000年还是老大,但到了2009年ASML市占率达到近七成,遥遥领先。 EUV光刻机之难在前文已有描述,一台EUV光刻机有超过10万个零件,需要40个集装箱运输,重达180吨,安装调试都要超过1年。 早在1997年,面对挑战193nm之难,英特尔说服了美国对高科技最开明的克林顿内阁,发起了合作组织EUV LLC。该组织由英特尔和美国能源部牵头,还包括摩托罗拉以及AMD,以及美国三大国家实验室——劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚国家实验室,投资两亿美元集合几百位顶级科学家,从理论上验证EUV光刻的可行性。 美国政府对20世纪80年代和日本的贸易战依然很敏感,不想让尼康、佳能等日本公司与美国的国家实验室合作,虽然尼康本来就认为EUV技术行不通。 结果是尼康被排除在外,ASML被允许加入(在做了一堆对美国贡献的许诺后)。 2012年,ASML请英特尔、三星和台积电入股自己,因为EUV光刻机的研发投入需要每年10亿欧元。总共算下来,ASML从三大巨头成功筹得53亿欧元资金。而2012年全年,ASML的销售额也才47亿欧元。 2015年,可量产的EUV光刻机样机发布,ASML站上光刻技术之巅。 不可复制的故事 正如《光刻巨人:ASML崛起之路》一书作者瑞尼·雷吉梅克在接受《中国经济周刊》采访时说的那样:如果你想制造出一台光刻机,就需要在技术上投入大量的资金和人力,然而这样的技术也只能维持几代人。想复制ASML的成功,需要企业同时拥有资金、人才、政府支持以及历史性的机遇。 ASML的成功无法复制,但其经历对芯片行业的后来者不无教益,尤其是其独特的外包方式和供应商生态。 如今的芯片产业供应链错综复杂,一颗典型的芯片,可能是一个加州或中国的工程师团队,使用美国的设计软件,根据总部位于英国的ARM公司的蓝图设计出来的。 设计完成后,会送到中国台湾的工厂,那家工厂再从日本购买超纯硅片及特殊气体,接着利用一家荷兰公司制造的、全球最精密的机器,把前述的设计刻在硅上。如果没有这些公司,很难制造出先进的芯片。 之后,芯片会经过封装与测试,通常是在东南亚进行,然后才运到中国,装进手机或电脑。 还是以iPhone为例,台积电和三星作为代工厂,是苹果的供应商;ASML作为光刻机制造商,是台积电、三星的供应商;而蔡司作为光学元件制造商,是ASML的供应商…… 而根据ASML 2022年年报,其供应商总数约为5000家,其中1600家在荷兰,1300家在北美,1350家在亚洲。 这个漫长的链条分担研发成本,也分享商业利益。 有分析认为,苏联在芯片上的落后一大原因是缺乏国际供应链。硅谷与美国盟友合作打造的全球化分工极有效率。当时日本主要生产内存芯片,美国生产较多的微处理器,日本的尼康与佳能以及荷兰的ASML瓜分了光刻机设备市场。 东南亚的工人负责大部分的最后组装。 美国、日本、欧洲的公司在这个链条上争夺地位,但它们却都能够把研发成本分摊到一个远比苏联还大的半导体市场上,因而受益。 如何利用好国际供应链,如何定位自己在国际供应链中的位置,这是每个芯片行业后来者该认真思考的问题。 本文综合自: (荷)瑞尼·雷吉梅克著;金捷幡译:《光刻巨人:ASML崛起之路》,人民邮电出版社,2020.10。 (美)克里斯·米勒著;蔡树军译:《芯片战争:世界最关键技术的争夺战》,浙江人民出版社,2023.5。 余盛:《芯片战争》,华中科技大学出版社,2021.11。 “金捷幡”公众号“光刻机之战”系列组文 B站UP主“谈三圈”光刻机与芯片系列科普视频。 (本文刊发于《中国经济周刊》2023年第22期)
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光刻机霸主,光刻机大败局(三)

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文| 姚坤

1984年4月1日,47名飞利浦员工被选中,无奈地调到一家新的合资企业ASML,在垃圾场附近的几间小而简陋的房间里开发和从事光刻设备的工作。这支郁闷的新贵团队或许从来没有想到,30多年后,ASML会成为全球最大的光刻设备制造商,远远超过其原来母公司飞利浦的市值。

“荷兰最大的出口商、荷兰最大的技术雇主和全球最大的芯片设备制造商随后迁往荷兰南部人口不足30万的维尔德霍芬城市,影响了整个荷兰的发展速度。”我继续说道。这就是IT行业。

曝光设备是否影响了整个IT行业的发展进度?

毫不夸张地说,光刻技术影响了整个IT行业的发展速度。

回到基础,整个数字世界本质上就是无数个0和1。例如,iPhone 上的每个应用程序、每张照片和每个短视频最终都是由一串1 和0 组成。所有这些数字都通过芯片,该芯片是由数百万或数十亿个晶体管组成的网络。每个晶体管都是一个电子开关,通过打开(1)或关闭(0)电流来处理和存储这些数字。用手机订外卖、发朋友圈、玩游戏,本质上是手机里的一颗芯片,也是互联网平台服务器上的一颗芯片,同时还有一百万个“0”和“1”。

计算机的计算能力取决于其通过计算机内部大量“开关”处理0和1的能力。

1945 年最先进的计算机是ENIAC,由宾夕法尼亚大学为美国陆军制造。这台计算机有18,000 个真空管作为“开关”,用于计算炮弹的轨迹。我能够计算数百次乘法和体积。它很大,占据了整个房间。此后,科学家们发现了一种更小、更快、更便宜的“开关”——晶体管。到1969 年7 月,将阿波罗11 号发射到月球的计算机使用了Fairchild 芯片,占用的空间约为立方英尺,比ENIAC 小1/1,000 倍。

1961 年,Fairchild 发布了第一款只有4 个晶体管的芯片,但该公司很快就想出了如何在一个芯片上放置12 个晶体管,然后是100 个晶体管。 Fairchild United 创始人戈登·摩尔(Gordon Moore) 在1965 年写道,随着工程师学会制造越来越小的晶体管,每个芯片上可安装的组件数量每年都会增加一倍。著名的“摩尔定律”预测了芯片计算能力的快速增长。 1965年,摩尔预言了电子钟、家用电脑、甚至个人电脑等疯狂的产品。 “.移动通信设备。”

摩尔定律成为近半个世纪左右计算机发展的路线图。到2020 年,每部iPhone 12 的A14 处理器芯片将集成118 亿个微型晶体管。任何人都可以购买的手机的计算能力远远超过了美军的Eniacs。

更强大的计算能力需要更低的计算成本。关键在于芯片具有更小的“开关”(晶体管)和更多集成的晶体管。这就是摩尔定律的美妙之处。

维持摩尔定律的关键在于光刻设备。

在芯片制造的数百道工序中,光刻是最关键的一步。该芯片在整个制造过程中需要20到30道光刻步骤,占制造工艺的一半和成本的三分之一。

可以毫不夸张地说,光刻设备影响了世界计算机的计算和信息存储能力。鉴于芯片在现代国防和军事中的广泛应用,——是美国芯片行业的第一个订单,NASA和美国空军用它来引导火箭,He导弹——先进的光刻技术追求超越产业链安全范围已成为大国竞争和地缘政治波动的焦点。

《混乱》ASML

但当ASML首任CEO贾里德·斯密特(Jared Smit)接任时,该公司远离了聚光灯,甚至陷入了混乱。

在加入ASML之前,Smit先生在电信巨头国际电话电报公司(ITT)荷兰分公司担任销售经理,该公司的电信业务利润明显下滑,已经触底。然而,在他接受公司CEO职位后,ITT的同事最初对他的职业规划提出了质疑,而且他还受到一些著名分析师的批评,认为ASM-飞利浦合资公司会失败,听说这是注定的。

这种说法并非没有根据。从某种意义上说,ASML是飞利浦为了淘汰一个浪费钱的光刻设备项目而设立的合资子公司。但合资伙伴ASM并不是飞利浦的首选,但它“做到了”。最后一根稻草。

连飞利浦都无法“烘烤”的光刻机

光刻设备的工作原理并不难理解,是现代芯片制造的基本原理,但其流程大致包括(1)绘制电路图,(2)将电路图放置在玻璃板上。就是雕刻。掩模版(也称光掩模);(3)当掩模版上的电路图用强光投射到涂有光刻胶的硅片(wafer)上时,光刻胶受到强光照射的部分变得可溶。 (4) 硅片上的原理图通过重复蚀刻、扩散和沉积等工艺暴露在硅片上,以创建复杂的晶体管和电路网络。

自从德州仪器(TI) 的杰伊·拉斯罗普(Jay Lathrop) 发明光刻技术以来,光刻设备和芯片制造的基本原理并没有发生太大变化。然而,随着制造工艺(可以宽松地理解为芯片上晶体管的密度)的进步,光刻技术的开发和实施成本变得越来越高。

以EUV(极紫外)曝光设备为例,目前只有ASML制造。让我们从观察光源开始。当Lathrop 发明光刻技术时,所需要的只是一个简单的灯泡,但随着它演变成EUV,此时光源的复杂性已经爆炸到令人难以置信的高温,为了产生EUV,必须用雷射。 Cymer被ASML收购,自20世纪80年代以来一直是领先的光刻光源公司,由加州大学圣地亚哥分校的两名激光专家创立。西盟工程师发现,做到这一点的最佳方法是以大约每小时200 英里的速度通过真空发射一个直径为百万分之三十米的微小锡球。接下来,用激光照射锡球两次,加热一次,然后用几倍于太阳表面温度的高温等离子体对其进行照射。这种锡滴碰撞的过程每秒重复50,000 次,产生制造芯片所需的EUV 量。

看镜头,Lathrop先生最初只是简单地将普通显微镜倒置,但到了EUV阶段,镜面加工精度极高,要求直径30厘米的镜面波动小于0.3纳米。对应的事实是,建设一条从北京到上海的铁路线需要小于1毫米的变化。用ASML现任CEO韦尼克的话说:“如果反射镜的面积和整个德国一样大,那么最高的突出部分就不能超过1厘米。”

再看设备,光刻设备一次只能曝光指甲盖大小左右的区域,而要想一次性完全曝光12英寸直径的晶圆,必须移动数百次。当今光刻机中每个运动的定位必须精确到数十纳米,这是人类头发直径的数万倍。如果两辆车以每小时3万公里的速度平行行驶,它们之间的差异必须小于0.5毫米,才能达到与光刻设备相同的精度。

在芯片行业,时间就是金钱,不再销售的旧产品价格暴跌是很常见的。因此,光刻设备必须每天24小时连续运行,每年的停机时间不得超过3%。如何保持如此精密复杂的机器长时间稳定、连续运行是一项重大的工程挑战。

1984年ASML成立时,曝光设备的研发还没有盈利,而且花费巨额资金,就连财大气粗的飞利浦也准备终止这项“非核心业务”。如果出售不成功,合资企业就会成功。事实上,如果时任飞利浦光刻设备项目决策者(后来短暂担任ASML CEO)的特罗斯特先生没有动用他一人掌控的隐性储备,飞利浦光刻设备项目本来可以更早被取消了。飞利浦的财务主管容忍了特罗斯特的特权,因为公司依赖于特罗斯特其他项目的绩效。

ASML:菲利普斯和ASM 的“不情愿”婚姻

最初,美国光刻设备巨头PerkinElmer 有兴趣与飞利浦合作,飞利浦已在全球销售了数千台Micralign 光刻机。 1978 年6 月,英特尔推出了著名的8086 处理器,由Micralign 制造。 20 世纪70 年代末,PerkinElmer 拥有90% 的光刻市场份额,并与几乎所有顶级芯片制造商都有业务往来,从大学到IBM、Intel 和NEC 等大公司。

珀金埃尔默凭借其巨大的市场份额、强大的客户基础和全球机器销售渠道,似乎是拯救飞利浦在光刻机市场困境的最佳选择。然而,菲利普斯却因未能及时做出决策和反应而耽误了这个黄金机会。

在与其他几个潜在合作伙伴的谈判失败后,菲利普斯只剩下一个选择:与ASM 合作。

ASM首席执行官Arthur Del Prado年轻时就读于哈佛商学院,在美国期间就被硅谷计算机芯片行业的乐观和雄心所感动。荷兰一家著名报纸后来援引德尔普拉多先生的话说,“当德尔普拉多先生回到荷兰时,他一手拿着一块威化饼,另一只手拿着500美元”。他将自己的公司命名为先进半导体材料(ASM)。

Prado 非常成功,以至于ASM 于1981 年成为第一家在纳斯达克上市的荷兰公司。 1978 年,公司的收入为1,400 万美元,但到1983 年,收入增加了六倍。大约在同一时间,飞利浦和埃尔科玛芯片工厂解雇了数千名工人。普拉多表示,它已经建造了除光刻设备之外的几乎所有芯片制造设备,如果加上光刻设备,它可以成为一站式芯片设备供应商。

但菲利普斯对ASM的热情却非常漠视。第一个原因是ASM 规模不够大。 1980年,ASM的收入仅为3700万美元。飞利浦预计,仅新一代步进光刻设备的研发成本就将远超5000万美元。其次,相比光刻设备所需的先进技术,ASM这根本不值得一提。飞利浦认为,普拉多低估了光刻设备的复杂性;最后,光刻设备销量相形见绌,其他芯片制造设备的采购可以由管理层决定,但曝光设备的销售数量可以由管理层决定,销售额只能由董事会决策,ASM销售渠道对曝光设备没有用处。

不过,为了挽救光刻设备项目,飞利浦最终主动联系了ASM。会议持续了短短一个多小时,双方交谈时间不到15分钟,这还不包括Prado离开会议与他的团队协商的时间,之后ASM决定与飞利浦合作。光刻机械业务符合普拉多的雄心。 ASM 生产芯片制造过程每个步骤所需的机器,但到目前为止,它还没有最具战略意义的光刻设备的经验。

最终,两家公司合并成立了一家50:50 的合资企业ASML。 ASM投资210万美元,飞利浦将光刻设备项目库存的17套光刻设备零部件打折至180万美元,并追加30万美元现金投资。

Prado和ASM无法熬过ASML光刻设备的“烧钱机”时代,在“印钞机”时代前夕撤回了大部分资金,浪费了总投资3500万美元。不过,他表示这:通过不断的行动,他阻止了飞利浦的光刻技术被淘汰,也促成了ASML的诞生。

一个人接起了“烫手山芋”

对于斯密特来说,担任ASML 首席执行官有点“重聚”的感觉。

他在代尔夫特理工大学学**航空航天工程,然后获得美国宇航局奖学金在马里兰大学学**。在欧洲空间研究局(现为欧洲航天局)工作期间,他写了一本70 页的小册子,分析地球磁场中非线性太阳风的流动。他的研究证实并解释了美国宇航局当时第一颗卫星测量的数据。

1969年,他加入飞利浦,但因无法忍受公司内部的官僚作风,一年后选择离开。

在与ASML员工初次会面后,斯密特先生立即联系了他在飞利浦的前同事,他们表示,认为斯密特先生会接手这样一个“烫手山芋”,他们并不疯狂。我就是这么想的。

首先我们看团队,被飞利浦调到合资公司ASML的工程师处境很尴尬,他们成为了光刻机市场的笑柄,没有人相信他们能成功。 ASML员工甚至将新公司形容为“杠杆出售”,可与33,354家因破产而解散的公司的“杠杆收购”相媲美。他们都认为菲利普斯只是想减轻他们不必要的负担。

从现有产品来看,16台即将上市的飞利浦PAS 2000光刻机也已移交给ASML。由于这些绘图设备使用液压工作台,因此需要比设备本身更大的动力装置,这会带来振动、噪音和油污风险等问题。 PAS 2000的光学元件是法国制造的,不够精确。有这样缺陷的光刻设备很难销售。

最后看市场情况,ASML成立时,当时的市场老大GCA正在交付数百台光刻机,而亚军尼康正在迅速占领市场。 ASML 的市场份额是多少?零。

但在与团队进行了长时间的交谈后,苏米特的精神迷雾开始消散。飞利浦光刻技术的许多要素在当时仍然处于领先地位。精确覆盖芯片图案的对准系统技术非常先进,飞利浦的Natlab 电动晶圆台实际上是作为液压台的替代品而开发的,这是其竞争对手所不具备的优势。当时,Natlab 是世界传奇,节能灯泡、便携式X 光机、旋转剃须系统和录像机都来自该实验室。为了在合资过程中保护自己的利益,飞利浦和ASM签署的协议非常严格,其中包括ASML每年向Natlab支付其销售额的1.5%作为研发费用,ASML还有机会获得一切都来自Natlab。我们要推进光刻设备的发展。

找到钱,制造一台机器然后卖掉

斯密特认为,客户最终决定ASML的命运。 1984年5月底,他飞往加利福尼亚州圣马特奥市,参加SEMICON West展会并参观硅谷芯片制造商,但受到了沉重打击。

这家美国芯片制造商告诉斯密特,安装基础(在客户工厂运行的机器数量)本身很重要。售后服务很重要,因为光刻设备非常复杂,很小的因素都可能导致其故障,而芯片工厂希望最大限度地减少停机时间。 GCA 拥有数百名服务工程师,大部分时间都在现场工作。 ASML不卖机器,没有服务部门,也没有芯片生产的实践经验。与此同时,GCA 和尼康已经安装了数百台机器。

芯片行业正在尽最大努力保持摩尔定律的有效性,从大规模集成电路(LSI)到超大规模集成电路(VLSI)的过渡需要新技术。一代光刻机。芯片生产线将缩小到1/1000mm以下,光刻设备将加工6英寸晶圆而不是4英寸晶圆。这一转变将在未来两年内进行。新一代光刻设备可以在晶圆上写入0.7 微米的细节,从而实现更紧密的微电子集成。斯密特在展会上清楚地了解到,目前还没有人找到针对此类芯片的光刻解决方案。佳能、GCA、尼康和珀金埃尔默制造的机器仍然使用丝杠来移动晶圆台,其图像细节无法实现亚微米定位精度,而这正是ASML 技术的优势。

作为一名航空爱好者,苏米特在本科学**和博士期间研究了航空业的重组,这使得世界上飞机制造商的数量从50 家减少到了几家。在ITT任职期间,施密特先生也经历了电信行业的变革。他知道,新兴制造商除非能够实现重大技术进步,否则在成熟市场上没有机会。

目前有Smit和ASML两种选择。要么在开业前就关门,要么在两年内提供成熟的超大规模集成电路光刻机来主导市场。

苏米特在激励他的团队时使用了体育类比。按照他的描述,ASML 接下来的做法类似于篮球场上的“跑轰”战术。他们在短时间内花钱建造一台机器,并最终将机器出售。

你想要一亿美元吗?

不过,飞利浦可能需要10 年的时间来打造新一代机器,而ASML 只有两年的时间。公司的工程师必须突破传统的研发模式。解决方案是将机器分成单独的模块,每个模块都由专业团队开发。并联模块。真正的问题在于组装的最后阶段。传统方法对所有子系统进行一一测试。如果一个子系统出现问题,其他子系统就只能等待。仅通过同时构建五个原型并让五个团队并行工作,ASML 就能够将测试和组装阶段从两年半缩短到六个月。在高峰时期,需要250 名工程师同时工作。

工程团队提出了1 亿美元的报价,但相信斯密特永远不会让董事会接受。斯密特并不担心,他正在ITT 处理更大规模的投资。经过八天的心里排练后,苏米特向董事会提交了这份庞大的预算。他的演讲充满激情,描述了他在展会上看到的危机和机遇。他相信光刻设备行业也会重复同样的过程。按照通信领域的市场规律,新一代设备的研发投入是上一代设备的10倍,每一轮都会有厂商被淘汰。目前,大约有10家公司在争夺市场份额,只剩下少数了。

“所以我们至少必须进入前三名,”苏米特解释道。 “要进入前三,只有一个方法,就是投资行业顶尖。我们必须争取金牌。第三名还不够。我们必须争取第一。我们必须这样做。我们唯一的获胜的机会在于制定进取、创新和专注的策略。不可避免的洗牌显示了市场的残酷。如果我们幸运的话,你最终会到达顶峰。你还不是太成功,所以你会可能会获得第三名。如果你运气不好,你会获得第六名。但你会对第三名或第六名感到满意。如果是这样,最好停下来。你就完了。 “我们别无选择,只能力争上游。我们别无选择。这是我们唯一的生存机会。”

斯密特让董事会面临要么付清债务,要么让ASML 破产的选择。

董事会的初步答复是“是”,Phillips 和ASM 各自决定增资150 万美元。董事会希望斯密特自己找到投资并制定更详细的计划,这样他就可以推动他的团队建造汽车。他们将这款新产品命名为PAS 2500,并计划在1986 年SEMICON West 展会上展示该机器。

我们不能因为急于工作而向飞利浦学**。

斯密特为ASML注入了一种与飞利浦完全不同的“非正式文化”,为了激励原本士气低落的团队,斯密特制作了一个卡通幻灯片,这对于以前在飞利浦工作过的工程师来说是全新的东西。我什至要求人们创建一个。事物。

ASML为了快速招聘大量工程师,发布了第一个招聘广告,而且ASM和飞利浦的标志非常醒目,让人以为在ASML工作就是在飞利浦工作,真是太棒了。斯密特因此受到菲利普斯的斥责,但他假装不知道自己不应该这样做。广告还表示,无需回复信件或发送简历。如果您想申请,请在下午6 点至10 点之间致电。这种做法在当时是非常不寻常的,事实上,ASML 通过电话发起了第一次淘汰。由于经济形势不佳,许多工程师前往荷兰寻找工作,该广告吸引了约300名求职者。

ASML的生产方式与飞利浦完全不同,而且为了追求研发速度和出货量,ASML不可能所有东西都自己制造,公司的一个重要策略就是尽可能外包.它是其中之一在成立的最初几个月,ASML 决定将自己定位为一家研发和组装公司。这在当时是闻所未闻的。

ASML经常不得不寻找其他供应商,因为飞利浦的一些子公司无法按时交货,但到了20世纪80年代末,一些利基领域的较小供应商收到了ASML规模的订单,这足以维持运营。 ASML著名的外包生态系统的种子是在过去几年种下的。

为了管理庞大的供应链和生产流程,ASML 要求开发人员尽早参与生产并实现组件选择。所有调整,包括所有螺钉和螺母调整,都必须如实地记录在物流系统中。这不仅为供应商备货时提供了清晰的思路,也让ASML 能够更好地了解每个组件的到货进度。为了将10,000 个零件从河流转移到海洋,ASML 最初花费了数百万美元从施乐购买物流和供应链系统,并雇用全职员工来监督系统的输入。

目前,经济衰退的初步迹象正在显现,芯片制造商变得越来越谨慎。因此,Smit希望客户能够尽快开始试用机器,而不是等待两年后的PAS 2500。

因此,ASML 团队在六个月内,在PAS 2000 的基础上制造了一台过渡机器PAS 2400,并用Natlab 机电工作台取代了液压机械工作台。一路走来,以初创公司的节奏赶工的ASML 工程师不得不与飞利浦的节奏抗衡。如果ASML 工程师在周五下午打电话询问零件,菲利普斯会说:“现在已经快5 点了,所以我们不可能在周末之前拿到零件。”飞利浦员工不加班。解决办法是给他们一点现金、几瓶啤酒和一两瓶葡萄酒。 ASML 工程师总是有装满啤酒和葡萄酒的箱子,以便尽快从飞利浦获得订购的零件。此外,员工可能会以现金支付加班费。

在1985 年的SEMICON West 贸易展上,一位ASML 工程师将展会手册中描述的PAS 2400 与竞争对手的机器进行了比较。虽然他熟悉的其他机器在演示期间出现了问题,并且展位经常关闭进行维护,但PAS 2400 大部分时间都处于关闭状态,但始终正常运行。

为了跟上PAS 2500,一些ASML 员工工作到深夜。 ASML 在维尔德霍芬租了一套房子。如果离家较远的工程师加班到深夜,可以直接在那里睡觉。他们把睡袋放在汽车后备箱里,以防所有的床都被占了。

PAS 2500 原定于1986 年1 月1 日完成,但最终于1986 年5 月初的SEMICON West 贸易展上完成。 ASML的工程师观察了竞争对手的展位并进行了快速调查。他的第一个问题是:哪家公司拥有最好的光刻设备?所有反对者都回答:“我们。”下一个问题:谁拥有第二好的机器?所有对手都说“ASML”。

如何击败AMD、美光和台积电

1986年初,ASML的第一个客户——一家小型芯片制造商MMI购买了PAS 2400。自此,ASML终于成为一个拥有安装基础的全新竞争对手。尽管PAS 2400 只是一款过渡机器,但MMI 对它非常满意,以至于制造总监允许ASML 在1986 年初投放的广告中使用他的照片。确实如此。

PAS 2500在1986年SEMICON West贸易展上的亮相也吸引了另一位客户Cypress,其首席执行官Rogers提出了相当多的要求。 “你拥有世界上最好的机器,”罗杰斯告诉施密特。这是我公司的股票。 ”

这样的股份制利益共同体其实在芯片行业并不少见;例如,为了加强与主要供应商蔡司的关系,ASML后来收购了蔡司旗下半导体制造技术集团(SMT)的股份而获得。

随后,ASML首席财务官设法与NMB银行安排了此次股票购买的资金,ASML也收到了Cypress的订单。

但当时Smit 最想要的客户是AMD。为此,他毫不畏惧在公开场合向AMD CEO杰里·桑德斯“喊话”。

在SEMICON West的春季宴会上,桑德斯感叹美国芯片设备制造商的质量和服务太差,以至于他不得不从日本购买设备。因此,Smit 在一本贸易杂志上刊登了一则广告,标题是“我们听到你的声音,Jerry”,广告的文字是“ASML 光刻机接受了Jerry Sanders 的可靠性挑战,实现了90% 的正常运行时间。我向你保证,几乎是光刻机的两倍。”“杰里,你不必担心圣安德烈亚斯断层上的地震。我们的机器不会坏。”

1986年秋天,AMD要求相关管理员预先准备购买PAS 2500的文档。但在最后一刻,桑德斯先生并没有下达命令。当时行业还处于衰退期,我们没有多少钱,所以我们想等到市场明显复苏后再做决定。这个取消的订单占了ASML当时产能的一半。

1987 年6 月1 日,AMD 签署了购买25 台PAS 2500 的协议。说服AMD 的是MMI 的ASML 机器,而不是Smit。当AMD 收购MMI 并检查其库存时,他们发现角落里有一台积满灰尘的Perkin-Elmer 机器。与此同时,六台PAS 2400在ASML服务工程师的支持下持续生产晶圆,因此AMD终于能够“买进”ASML。

同样的事情在20世纪90年代初再次发生,当时三星参观了ASML的客户美光的工厂,主动联系ASML,几经周折才达成联盟。

20 世纪80 年代末,ASML 收购了两个主要客户。

首先是美光。经过协商,ASML 决定派遣一支服务人员团队,目标是确保PAS 2500 满足ASML 承诺的所有规范。这是为了增加每天的平均晶圆吞吐量并减少最大机器停机时间。 ASML还规定,如果机器性能提高,将分享利润。接下来的几年里,美光科技稳步增长,ASML 也受益匪浅。尽管大多数美国公司已将内存领域割让给日本,但美光科技仍在生产,目前是全球最大的半导体存储和成像产品制造商之一。

另一个是台积电。 1987年台积电成立时,飞利浦以5800万美元获得27.5%的股份,以换取其芯片技术。台积电也算是飞利浦的子公司,但它充分利用了这个优势,让与ASML的谈判变得复杂化,台积电拒绝支付服务费,最终给了ASML两个拳头。合同我给你发了。

1988年底,台积电刚完成机器安装工作,就发传真说工厂被烧毁,需要17台新机器。这个订单让ASML在关键时期有了一些喘息的空间。一些退回的机器有轻微的烟雾损坏,而且许多很容易修复。 1989年,台积电旗下保险公司——成为最后一家实质性财务赞助商,并于同年成为ASML最大客户。

然而,在ASML接到AMD的订单后不到四个月,斯密特就辞去了ASML首席执行官的职务。从财务角度来看,Sumit 离开时ASML 的处境比1984 年成立时还要糟糕。到1987年底,公司已经花费了近5000万美元。计划销售目标未能实现,ASML继续亏损。 ASM和飞利浦之间的蜜月期已经结束。然而,ASML已经拥有一支富有创造力的独立开发团队,以及成熟的物流和量产系统。

Sumit 被ASML 的CFO 抱怨为“花钱大手大脚”,尽管公司正在亏损,Sumit 仍继续聘用外部顾问,这些顾问的账单为700 美元,甚至还支付了顾问前往美国的旅行费用。这自然会引起周围人的不满。但如果不是他注重机会而非成本,在行业低迷的情况下仍主张投资,并从一开始就登上顶峰,ASML永远不可能在光刻设备领域取得主导地位。领域。本来应该是。

熬过没有工资的最黑暗时刻

现在回想起来,1984年到1987年的长期市场低迷实际上给了ASML一些喘息的空间。如果没有经济衰退,佳能和尼康很可能会占领整个市场,因为ASML和美国光刻设备巨头GCA的主要供应商蔡司的产能太差了。即使有大订单,ASML 1986年和1987年的产能也根本无法满足。经济衰退对佳能和尼康的影响远大于ASML。

1988年春天,ASML经历了最糟糕的时刻,无力支付工资,只能靠菲利普斯的130万美元汇款维持生存。同年,ASM筹集资金以避免ASML破产,菲利普斯承担了ASM在ASML的股份和债务。

正是PAS 5500 最终扭转了ASML 的局面。该机器采用了类似乐高的模块化系统,可以像模型套件一样进行拆卸和组装。使用以前的光刻设备,如果需要更换镜头,芯片制造商通常不得不停产数周,并花费大量资金。

ASML 准备了“Performance”来为潜在大客户IBM 组装PAS 5500。当IBM因国际形势无法飞往荷兰看机器时,ASML

ML选择录好“演出视频”去IBM,结果这台设备的先进程度让IBM的人十分激动。 1993年的前几个月,资金开始加速流入ASML。订单量和交货量齐升,最新的光刻机卖出了高得多的价格,服务和升级的收入也在增加。1992年,公司的年收入从8100万美元跃升至1.19亿美元,ASML现在终于可以靠自己生存了。虽然那一年公司依旧亏损2000万美元,这主要是因为PAS 5500诞生前的“阵痛”。PAS 5500使公司的现金流不断增长。在公司的历史上,资金首次正向流入,而不是流出去。 ASML用支票偿还了1992年5月飞利浦2100万美元的“输血款”,一天后,飞利浦财务部门负责人打来电话,请ASML再也不要用支票支付这么大一笔钱了,这样公司损失了两天的利息。 1995年,ASML成功上市,不过不是在荷兰,他们在路演时得到的反馈很冷淡,连养老金都不相信他们,他们只能转向纳斯达克。在美国上市,以及美资股东引入,可能是ASML后来能避开一些地缘限制的原因。 等到1996年,ASML的一些员工开始穿着印花T恤四处走动,T恤上面写着:我们将打败日本人。 打败日企 浸入式光刻是ASML打败尼康的关键节点。 20世纪90年代末,光刻光源被卡在193nm无法进步,摩尔定律受阻,科学家和产业界提出了各种方案。 最后胜出的是一个工程上最简单的解决办法,在晶圆光刻胶上方加1mm厚的水。水可以把193nm的光波长折射成134nm。浸入式光刻成功翻越了157nm大关,直接做到半周期65nm。加上后来不断改进的镜头、光刻胶,还有FinFET等技术,浸入式193nm光刻机一直做到7nm制程(iPhone XS搭载的A12芯片就采用7nm制程)。ASML现任CEO韦尼克曾说:“iPhone能出现,是因为浸入式光刻技术。” 2002年台积电的林本坚博士提出了浸入式193nm的方案,随后ASML在一年的时间内就开发出样机。而台积电也成为了第一家实现浸入式量产的公司,自此追上了之前制程领先的英特尔。 浸入式改进小、效果大、成本低,几乎没有人去订购尼康几乎同时推出的157纳米干式光刻机。虽然尼康只用了一年时间就完成了对浸入式技术的追赶,但ASML已经抢先夺下IBM和英特尔等许多大客户的订单。 这导致后面尼康不再强势。尼康在2000年还是老大,但到了2009年ASML市占率达到近七成,遥遥领先。 EUV光刻机之难在前文已有描述,一台EUV光刻机有超过10万个零件,需要40个集装箱运输,重达180吨,安装调试都要超过1年。 早在1997年,面对挑战193nm之难,英特尔说服了美国对高科技最开明的克林顿内阁,发起了合作组织EUV LLC。该组织由英特尔和美国能源部牵头,还包括摩托罗拉以及AMD,以及美国三大国家实验室——劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚国家实验室,投资两亿美元集合几百位顶级科学家,从理论上验证EUV光刻的可行性。 美国政府对20世纪80年代和日本的贸易战依然很敏感,不想让尼康、佳能等日本公司与美国的国家实验室合作,虽然尼康本来就认为EUV技术行不通。 结果是尼康被排除在外,ASML被允许加入(在做了一堆对美国贡献的许诺后)。 2012年,ASML请英特尔、三星和台积电入股自己,因为EUV光刻机的研发投入需要每年10亿欧元。总共算下来,ASML从三大巨头成功筹得53亿欧元资金。而2012年全年,ASML的销售额也才47亿欧元。 2015年,可量产的EUV光刻机样机发布,ASML站上光刻技术之巅。 不可复制的故事 正如《光刻巨人:ASML崛起之路》一书作者瑞尼·雷吉梅克在接受《中国经济周刊》采访时说的那样:如果你想制造出一台光刻机,就需要在技术上投入大量的资金和人力,然而这样的技术也只能维持几代人。想复制ASML的成功,需要企业同时拥有资金、人才、政府支持以及历史性的机遇。 ASML的成功无法复制,但其经历对芯片行业的后来者不无教益,尤其是其独特的外包方式和供应商生态。 如今的芯片产业供应链错综复杂,一颗典型的芯片,可能是一个加州或中国的工程师团队,使用美国的设计软件,根据总部位于英国的ARM公司的蓝图设计出来的。 设计完成后,会送到中国台湾的工厂,那家工厂再从日本购买超纯硅片及特殊气体,接着利用一家荷兰公司制造的、全球最精密的机器,把前述的设计刻在硅上。如果没有这些公司,很难制造出先进的芯片。 之后,芯片会经过封装与测试,通常是在东南亚进行,然后才运到中国,装进手机或电脑。 还是以iPhone为例,台积电和三星作为代工厂,是苹果的供应商;ASML作为光刻机制造商,是台积电、三星的供应商;而蔡司作为光学元件制造商,是ASML的供应商…… 而根据ASML 2022年年报,其供应商总数约为5000家,其中1600家在荷兰,1300家在北美,1350家在亚洲。 这个漫长的链条分担研发成本,也分享商业利益。 有分析认为,苏联在芯片上的落后一大原因是缺乏国际供应链。硅谷与美国盟友合作打造的全球化分工极有效率。当时日本主要生产内存芯片,美国生产较多的微处理器,日本的尼康与佳能以及荷兰的ASML瓜分了光刻机设备市场。 东南亚的工人负责大部分的最后组装。 美国、日本、欧洲的公司在这个链条上争夺地位,但它们却都能够把研发成本分摊到一个远比苏联还大的半导体市场上,因而受益。 如何利用好国际供应链,如何定位自己在国际供应链中的位置,这是每个芯片行业后来者该认真思考的问题。 本文综合自: (荷)瑞尼·雷吉梅克著;金捷幡译:《光刻巨人:ASML崛起之路》,人民邮电出版社,2020.10。 (美)克里斯·米勒著;蔡树军译:《芯片战争:世界最关键技术的争夺战》,浙江人民出版社,2023.5。 余盛:《芯片战争》,华中科技大学出版社,2021.11。 “金捷幡”公众号“光刻机之战”系列组文 B站UP主“谈三圈”光刻机与芯片系列科普视频。 (本文刊发于《中国经济周刊》2023年第22期)

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