国运之战——半导体 | 光刻机

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无论你是否愿意,这场“无硝烟的战争”已经开始。

中美关系,和中国的普通人有什么关系?

南美洲热带雨林的蝴蝶轻轻扇动翅膀,可以引发北美洲的龙卷风,而贸易这样一件关乎十三亿人的生计大事,关乎产业链、税收、福利、国家战略方向…….而这些最终都影响到全体公民。

要知道,个人命运永远无法逃离时代和国家的大背景。覆巢之下,焉有完卵。

处在风口浪尖的科技公司华为,是这次事件的最大受害者之一。

半导体有多重要?看看这些现状:

  • 中国是世界上最大的半导体消费国家,每年消费全球45%市场份额半导体芯片
  • 中国90%半导体芯片消费依赖进口,进口额远超石油
  • 中国半导体芯片起步较晚,落后世界平均水平
  • 世界半导体巨头企业已形成完整生态链,中国半导体企业商业化寸步难行

代表半导体行业最高水平的有三家公司:英特尔、三星、台积电。

这三家分别代表了半导体逻辑、存储、制造的最高水平。然而,他们三家都离不开一家鲜为人知的荷兰公司——ASML,致力于研发制造大规模IC(Integrated circuit,集成电路)的核心设备光刻机公司。

ASML总部位于荷兰的Veldhoven,欧洲人均科研经费排名第二。在世界同类产品中有90%的市占率,在10纳米节点以下有100%的市占率。

1.上帝之手

有人曾经感慨说:上帝都在帮助人类发明集成电路,首先给了那么多的沙子(硅晶圆的原料),又给了一个完美的自然绝缘层。所以至今,硅极其难被取代,一个重要原因就是,作为制造晶体管的材料,其综合性能太完美了。

半导体产业最上游是IC设计公司与硅晶圆制造公司,IC设公司计根据客户的需求设计出电路图,硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆。中游的IC制造公司主要的任务就是把IC设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的晶圆上。完成后的晶圆再送往下游的IC封测厂实施封装与测试。

我们从先大方向上了解一下芯片的制造流程

收集沙子,将石英砂(SiO2)融化成冶金级硅(硅纯度98%以上)

冶金级硅转化为多晶硅,扔入晶种使其结晶,向外直拉生长单晶硅棒材

将单晶硅切成薄片,表面的非常非常薄(1-2nm)

在薄片表面曝光蚀刻、离子注入、电镀、铜层生长结构

进行结构切割

固定封装

2.定律失衡

半导体的制程节点,相当于晶体管的尺寸。

晶体管的作用,简单地说,是把电子从一端(S),通过一段沟道,送到另一端(D),这个过程完成了之后,信息的传递就完成了。因为电子的速度是有限的,在现代晶体管中,一般都是以饱和速度运行的,所以需要的时间基本就由这个沟道的长度来决定。越短,就越快。这个沟道的长度,和前面说的晶体管的尺寸,大体上可以认为是一致的。但是二者有区别,沟道长度是一个晶体管物理的概念,而用于技术节点的那个尺寸,是制造工艺的概念,二者相关,但是不相等。

1965年,英特尔联合创始人戈登 · 摩尔(Godon Moore)提出摩尔定律:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18-24个月增加一倍。

计算机晶体管数目的指数增长曲线匹配摩尔定律

距离摩尔定律的提出已过去半个世纪,这条定律现在还适用吗?

答案是否定的。

需要了解的是:摩尔定律首先是一条经济学上的定律,然后才是工程学方面的定律。

集成电路从设计到生产,都是以企业盈利为第一指标的。芯片集成度翻倍,直接结果是成本下降。这也是为什么半导体行业50年来如一日追求摩尔定律的原因。因为如果达不到这个标准,产品成本就会高于竞争对手。

芯片的系统集成产品是以PC,手机,平板等等为代表的消费电子。集成度的翻倍意味着性能翻倍,器件集成度翻倍;拿手机市场来说,成本减半体现在消费者从大哥大到小灵通再到智能手机,越来越物美价廉。

试想一下,如果iphone的处理器一直停留在乔布斯时代不更新,消费者将没有更新设备的需求。消费市场的饱和,将难以维持企业的增长。

硬件层面需要新的制程来提高性能,软件层面需要更好的硬件提供运行环境,两者共同刺激消费。最明显的例子,就是上个世纪90年代英特尔和微软联手打造的商业帝国。

事实上,摩尔定律被提出时,集成电路才出现6年,刚刚经历3-4个周期,而基于这样一个样本提出的定律,当然也只能在一段时间内成立。

lg2=0.3,意味着每十年晶体管数量要提高一百倍。当前英特尔的I9 9900K约3.2*10^9个晶体管,按照摩尔定律,再过七十年数目将超过CPU内的原子数。这显然不可能发生。

不同公司对制程工艺技术的定义不一样,可以说,目前20nm以下的工艺,全都不符合20nm之前对制程的定义,其中Intel是最贴近的。

作为对比,三星10nm工艺晶体管密度不过每平方毫米5510万个,仅相当于Intel的一半多,7nm则是每平方毫米1.0123亿个,勉强高过Intel 10nm。至于台积电晶体管密度比三星还要低一些。这也是很多业者吐槽“台积电7nm缩水”的根本原因。

摩尔定律,是科技行业为了完成消费电子产品每1-3年的迭代而进行的“自我实现”预言。英特尔照着这个预言一路狂奔数十年。可谁也没想到,光刻波长被卡在193nm无法进步近20年。直到今天,我们用的所有手机电脑主芯片仍旧是193nm光源光刻出来的。

3.混沌生长

1984年,ASML从荷兰著名电子制造商飞利浦独立,此后便致力于研发制造大规模IC(Integrated circuit,集成电路)的核心设备光刻机。关于这个故事,其实还是和人们想象的有些不同。

飞利浦最先在实验室研发出光刻机的模型,但是不够成熟。因为光刻市场太小,飞利浦也无法确认它是否有商业价值,去美国和P&E、GCA、Cobilt、IBM等谈了一圈没人愿意合作。这时ASMI找上门来要求合作开发生产光刻机。

ASMI是什么来头呢?这里有必要介绍一下。ASMI(Advanced Semiconductor MaterialsInternational)是由Arthur del Prado在1964年创办,初时是一家半导体设备代理商。Arthur del Prado非常富有战略眼光且专注半导体,很快在半导体业界风生水起,并于1971年公司开始转型进入封装设备生产,慢慢扩大到前道设备,1976年公司的PECVD进入市场,奠定ASMI作为原始设备生产商的地位。1981年公司成功上市。

但这家代理出身的公司只有半导体前后道的经验,对光刻其实不太懂,等于算半个天使投资加半个分销商。

飞利浦犹豫了一年时间,才勉强同意了设立50:50的合资公司。1984年4月1日ASML成立的时候,只有31名员工,在飞利浦大厦外面的木板简易房里工作。

ASML最早成立时的简易平房,后面的玻璃大厦是飞利浦

ASML当时面临三大问题,一个是技术落后,飞利浦公司先前研发的技术在漫长的等待中已经过时,远不能满足客户要求;二是市场已经饱和,竞争非常激烈,强手如林,日本的Nikon、Canon、Hitachi,美国的GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin-Elmer、Eaton,民主德国的Zeiss等相继推出了自己的光刻机产品;三是资金严重匮乏。

据说当时员工都对ASML的未来没有信心。现在ASML公司官方网站里的“Our History”里,都用了“inauspiciously”这个词描写当时的情况。

ASML官网

ASML在头一年只卖出一台光刻机,第二年卖出四台。第一代产品不够成熟,但是背靠飞利浦大树的各种资源和容忍让它生存了下来。

ASML在1985年和Zeiss(蔡司)合作改进光学系统,终于在1986年推出非常棒的第二代产品PAS-2500,并第一次卖到美国给当时的创业公司Cypress,今天的Nor Flash巨头。

颇具戏剧性的是,1986年半导体市场大滑坡(比如光三星半导体就亏了3亿美元),导致美国一帮光刻机厂商都碰到严重的财务问题。而ASML规模尚小,所以损失不大,还可以按既有计划开发新产品。同期,GCA和P&E的新产品开发也都停滞了下来。

1988年GCA资金严重匮乏被General Signal收购,又过了几年,GCA找不到买主被迫关闭。General Signal旗下另外一家Ultratech最终被MBO,但是规模也不大了。1990年,P&E光刻部也支撑不下去被卖给SVG。

1980年还占据大半壁江山的美国三雄,到80年代末地位完全被日本双雄取代。这时ASML还只有大约10%的市场占有率。

4.一家独大

半导体行业有一句不成规的名言:ASML的技术到哪里,全球半导体的制程就在哪里。

决定制造工艺最小尺寸的东西,叫做“光刻机”。光刻机是集成电路制造中最精密复杂、难度最高、价格最昂贵的设备,它的功能是,把预先印制好的集成电路,像洗照片一样洗到晶体表面去(刻出晶体管器件的结构和晶体管之间的连接通路。

一块CPU上,有数以亿计的晶体管,正是这些晶体管一代又一代的更新变革,才有了这些年飞跃式的包括智能手机、云计算,人工智能等一系列IT技术的进步。

集成电路在制作过程中经历材料制备、掩膜、光刻、刻蚀、清洗、掺杂、机械研磨等多个工序,其中以光刻工序最为关键,因为它是整个集成电路产业制造工艺先进程度的重要指标。

光刻机的发展经过了一个漫长的过程,1960年代的接触式光刻机、接近式光刻机,到1970年代的投影式光刻机,1980年代的步进式光刻机,到步进式扫描光刻机,到浸润式光刻机和现在的EUV光刻机,设备性能不断提高,推动集成电路按照摩尔定律往前发展。

简易光刻机

光刻机,顾名思义是用激光来刻制的。有物理常识的人都知道,所有的光,都有一个本质上无法避免的问题——光的衍射,光刻机当然也不例外。因为这个问题的制约,任何一台光刻机所能刻制的最小尺寸,基本上与它所用的光源的波长成正比。波长越小,尺寸也就越小。

目前主流的生产工艺所采用的是ASML的193nm光刻机,相比之下,目前的最小量产的晶体管尺寸是 7nm,存在数十倍的差距。

为何没有衍射效应呢?

因为业界十多年来在光刻技术上投入了巨资,先后开发了各种魔改级别的暴力技术,诸如浸入式光刻(把光程放在某种液体里,因为光的折射率更高,而最小尺寸反比于折射率)、相位掩模(通过 180 度反向的方式来让产生的衍射互相抵消,提高精确度)等等,就这样一直撑到了现在,支持了 60nm 以来的所有技术节点的进步。

在ASML一家独大之前,是尼康、佳能和ASML三足鼎立。

怎么从三足鼎立演变成一家独大的呢?

转折点就是是193nm波长浸润式光刻机的问世。在此之前,光刻机都是干式的,没有液体参与。

1987年,当时的IBM还拥有大量芯片铸造业务。这一年,台积电成立。同年,一位不太起眼的IBM芯片工程师从显微镜镜头上的水得到灵感,提出一种“浸润式光刻机”的设想,并写成论文发表。

不过在当时,这篇论文纯粹作为理论前沿,并未被产业界所注意。因为干式光刻机足以支撑摩尔定律的突飞猛进。

浸入式光刻的原型实验在上世纪90年代开始陆续出现。1999年,IBM的Hoffnagle使用257nm干涉系统制作出周期为89nm的密集图形。当时使用的浸入液是环辛烷。但因为当时对浸入液的充入、镜头的沾污、光刻胶的稳定性和气泡的伤害等关键问题缺乏了解,人们并未对浸入式光刻展开深入的研究。

时间来到2002年。IDM、英特尔、台积电等芯片制造商越来越焦虑,由于延续摩尔定律变得愈发困难。传统的193nm光刻机把芯片制程推进到65nm之后遇到了瓶颈,很难再向下推进。

2002年以前,业界普遍认为193nm光刻无法延伸到65nm技术节点(因为到了65nm节点二氧化硅绝缘层漏电已经不可容忍),而157nm将成为主流技术。尼康和佳能做出了157nm波长的光刻机,然而效果并不好。157nm光刻技术遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。这是由于绝大多数材料会强烈地吸收157nm的光波,只有CaF2勉强可以使用。但研磨得到的CaF2镜头缺陷率和像差很难控制,并且价格相当昂贵。雪上加霜的是它的使用寿命也极短,频繁更换镜头让芯片制造业无法容忍。

当时有人提出只能依赖极紫外光刻机——EUV,发射波长13nm级别。然而在当时的业界条件下,EUV基本无法实现。

台积电的一位总监级工程师指出,浸润式光刻机才是正确的前进路线。他在IBM工程师那篇论文基础上又写了三篇论文,详细提出了具体实现方法,然后在国际半导体会议上反复在IBM、英特尔、尼康、佳能、德仪等主要半导体企业间宣传、研讨。大家都表示了兴趣,然而,最终决定投入研发这种光刻机的,是在当时来看落后于尼康和佳能的ASML。从2004年开始立项,ASML主导,台积电提供协助,三年后,颠覆性的产品——浸润式光刻机诞生了。

从此,光刻机从三足鼎立变成了一家独大。

浸润式光刻机的做法,简单来说是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高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术,浸入式193nm光刻机一直做到今天的7nm(苹果A12和华为麒麟980)。

注意,到目前为止,所有量产的65nm以下制程的芯片,都是用的这个193nm浸润式光刻机。包括英特尔、三星、台积电、台联电、Global Foundry,还有中国大陆的中芯国际、华宏半导体等。

是的,用这同一款光刻机,台积电能做到7nm,三星能做到10nm,中芯国际目前只能做到28nm。

5.举步维艰

上一段说道在2002年的业界条件下,紫外光刻机——EUV无法实现。

其实依照该技术的主要推动者英特尔规划,EVU在2010年前就该上阵,可真正量产时程,却一延再延。

因为这个技术太难了。有多难呢?

浸润式光刻机的射线波长是193nm,极紫外光刻机(EUV)的波长是13nm。注意,光刻机的波长是从193nm一下降到13nm。这里的nm不是我们经常说的芯片制程,而是光刻机的射线波长。何况芯片制程也是从65、45、32、28、16/14、10、7一步步逐渐下降的。

由于波长远小于当前使用的 193nm 光源,光的衍射带来的精度问题将大大减小。但更小的波长意味着更高的能量(正比于光波的频率,反比于波长),因此如何得到稳定、合适、大功率的光源是一个极难的问题,同时因为极小的波长,普通用于聚焦的透镜将无法使用,只能使用反射式透镜,这也是一个极难的问题。

EUV光线的能量、破坏性极高,制程的所有零件、材料,样样挑战人类工艺的极限。例如,因为空气分子会干扰EUV光线,生产过程得在真空环境。而且,机械的动作得精确到误差仅以皮秒(兆分之一秒)计。

最关键零件之一,由德国蔡司生产的反射镜得做到史无前例的完美无瑕,瑕疵大小仅能以皮米(纳米的千分之一)计。

这是什么概念?ASML总裁暨执行长温彼得(Peter Wennink)接受《天下》独家专访时解释,如果反射镜面积有整个德国大,最高的突起处不能高于一公分高。

而如果无法研发出EUV,摩尔定律很有可能将就此停止。因此四年前,英特尔、台积电、三星,这三家彼此互相竞争的公司,联袂出钱认购ASMR股份,分别投资ASML41亿、8.38亿、5.03亿欧元。(台积电已于今年五月出售ASML的5%持股,获利214亿台币)注意,这时候的股价是虚高的,是假设EUV能研发成功来估价,目的就是为了帮ASML分担EUV研发失败的风险。

2018年中芯国际购入一台EUV光刻机,售价1.2亿美元,约合人民币超7亿元,需要动用波音 747 运输 11 架次才能从荷兰运抵目的地。

在那之前,英特尔、三星、台积电以及GF都向ASML下了EUV订单,其中台积电订购了大约10台,三星订购了大约6台,英特尔会引入3台EUV光刻机,GF订单数量未知。

ASML公司生产的NXE 3350B EUV光刻机

光刻机是高附加值产品,投入研发周期长,投入资金也相当巨大。即便是工艺成熟的新光刻机,也要动辄3000至5000万美元。

这也就是摩尔定律愈加难以为继的原因:一是经济角度,更先进的制程需要超乎想象的投资,公司和投资方难以承担这样的风险,失败以为这无法收回成本;二是技术层面,先进制程的极大限制——光刻(包括光刻设备、光刻胶等等)、器件物理中的量子效应、互连寄生效应、功耗、延时、封装等等。

6.市场格局

半导体产业,是高度依赖全球产业链的分工配合的一个产业。

以华为P30 pro的主板为例:

海力士的LPDDR 44X存储芯片

美光的128GB闪存

华为麒麟980

海思HI6363 GFCV100射频收发器

用于WCDMA/LTE的SkyWorks 78191-11前端模块

QORVO 77031前端模块

再来看看第一代iPhone,其中由代工厂加工,芯片公司设计的功能芯片数量和型号:

  • CPU:Samsung ARM架构处理器 ARM1176JZF (三星设计生产)
  • 内存:Samsung S3C6400(三星设计生产)
  • 无线闪存堆栈芯片:1030W0YTQ2 (英特尔设计生产)
  • GPU:PowerVR MBX Lite 3D GPU (设计和生产分工,一开始是英特尔代工,2009 年后为台积电 )
  • 音频:Wolfson audio WM8758BG(Wolfson 只设计,生产外包给台积电)
  • 电池管理芯片:Linear Technology 4066(Linear 只设计,生产外包)
  • 无线网络芯片:MARVELL,W8686B13(MARVELL 只设计,台积电代工)
  • 手机信号功率放大器:Skyworks GSM / Edge(Skyworks 只设计,生产外包)
  • 蓝牙芯片:Skyworks CSR BlueCore4-ROM WLCSP(设计和生产分工)
  • 手机信号管理芯片: Infineon M1817A11 (英飞凌只设计,2009 年生产外包给台积电)
  • 多媒体芯片:Infineon PMB8876(英飞凌只设计,2009 年生产外包给台积电)

半导体行业主要有两种商业模式。

一个是垂直分工制造商(VDM),这意味着基于专业化的分工,每个公司只关注一个过程。例如:高通设计IC知识产权,台积电负责晶圆制造,ASE负责A&T。

另一个模型是IDM(集成设备制造商),一家“全能”公司全面设计,制造和销售集成电路(IC)产品。正如我们所看到的,排名前10位的玩家主要属于这种类型,例如三星,SK海力士和德州仪器(TI)。

半导体产业,是资本密集型,同时也是知识密集型工业。

发展房地产,发展基础设施,砸钱的效果显著。但是芯片砸钱也很难发展,还得砸数学家、物理学家、化学家………一块芯片上,几十亿个晶体管几乎完全一致且整齐划一的工作,不出现任何错误,是一件十分震撼的事情。而在那块小小的芯片背后,包含无数人,几十年,几代的心血((Intel 在美国的技术研发部门有一万多人,其中有 8000 多 PhD,可想而知其中投入的人力物力之大)

半导体业有它的特殊性,由于产业链很长,投资巨大,技术进步快,任何一个国家,包括美国在内,都不可能所有东西都自己生产和制作。如光刻机来自欧洲ASML,芯片生产线中使用的材料,60%产自日本等,所以半导体业必须是全球化的,它必须是共享资源与互惠互利。

本文源自头条号:俞是非

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