近两年用一句话来形容华为,那就是“太难了!“在华为被列入实体清单后,华为操作系统、芯片业务首当其冲!谷歌在第一时间中断了对华为的安卓授权,导致华为海外消费业务受到了很大程度上的影响,之后高通、美光、英飞凌、台积电纷纷中断了华为的芯片业务,这让华为陷入到了“芯片危机”,新一代旗舰机P50迟迟不能发布。
不过,当我们为华为鸣不平的同时,我们也看到了华为为恢复手机业务所作出的努力,比如鸿蒙的发布,对于华为来说可谓是“十面封锁”中的一道亮光。根据安兔兔提供的恢复率测试,鸿蒙的文件读取速度等数据显示,不管是在体验方面还是在性能方面,鸿蒙都不输IOS和安卓,根据央视报道,鸿蒙已经拥有1000多家硬件厂家接入,300多家服务商适配,与此同时,国内一些大学已经开设了鸿蒙系统的课程。
所以,对于华为来说,影响华为手机出货量的因素,基本只剩下了芯片问题。然而,想要在实体清单下解决芯片问题,就必须解决自研光刻机的问题。在美国对华为芯片动手后,华为作出了决定,宣布全面扎根半导体,从其他企业挖人才、与高校联合,到全球招聘光刻机人才,华为一直在为解决光刻机、芯片供应链去美化而努力。
但制造光刻机并不是一件简单的事情,一台光刻机重达几十吨,零件十多万个,即便是光刻机巨头ASML,其光刻机供应商也有5000多家,并且ASML曾公开表示,即便将图纸公开,他人也无法制造出来。可见光刻机制造难度之大,即便是国产光刻机龙头的上海微电子,先能实现量产的也只是90nm的精度。
为此,华为作出了一项重要决定!近日,华为正式宣布,旗下哈勃公司投资了一家高端分子激光技术厂商,北京科益虹源光电技术有限公司,并且成为了这家公司的第七大股东,持股4.76%,提到科益虹源,想必大家都比较陌生,但做出的成就却非常的高调。
科益虹源是2016年中科院微电子所、国科科仪等共同出资成立的企业,成立一年多的时间,其自主研发的高端准分子激光器就实现了顺利出货,并打破了国外厂商的长期垄断,这也是中国唯一在高端分子激光技术研究和产品化的企业,也是世界第三家。
如果将光刻机比作医生,那光源就是医生手中的手术刀,这是光刻机的核心技术,上海微电子即将落地的28nm精度的光刻机(能量产7nm工艺芯片),就是采用的科益虹源的光源系统。而华为能成为科益虹源的股东,不难看出华为又掌握一项光刻机核心技术,后续光刻机的自研也将会顺利很多,而华为跑步进场,被卡脖子的芯片问题也迎来了转机!
与此同时,华为已经在光芯片领域有了不错的进展,比如华为“光计算芯片、系统及数据处理技术”专利的曝光,华为武汉光芯片工厂的竣工,加上华为在光刻机领域的“跑步进场”,高端芯片制造必然会加速实现国产化,这也让我们明白了一个道理,美国的 科技 霸凌并不能实现永久的利益,发展 科技 才是正道!
芯 东西(ID:aichip001)文 | 董温淑
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Mate 40采用的麒麟1020芯片、苹果iPhone 12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;在近期的中美贸易摩擦中,台积电是否能按时向华为出货Mate 40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?
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(Advanced Semiconductor Material Lithography,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。
▲阿斯麦、尼康、佳能出货量对比
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。
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。
▲尼康1980年推出的光刻机NSR-1010G
在这种背景下,荷兰电子产品公司飞利浦在实验室鼓捣出了步进式扫描光刻技术的雏型,但拿不准这项技术的商业价值。思前想后,它决定拉人入伙,让合作者继续研发,这样既有人分摊成本,也给了自己观望的机会。
步进式扫描光刻技术的原理是,光线透过掩膜板上的狭缝照射,晶圆与掩膜板相对移动。完成当前扫描后,晶圆由工作台承载,步进至下一步扫描位置,进行重复曝光。整个过程经过重复步进、多次扫描曝光。
▲步进式扫描光刻技术示意图
在飞利浦的设想里,理想的合伙人当然是技术先进、实力雄厚的美国大厂,如IBM、GCA之流。但在美国走了一圈后,飞利浦意识到了现实的骨感:各大厂商纷纷表示拒绝。
但是,并非所有人都不看好飞利浦的光刻项目,就在飞利浦碰壁之际,荷兰小公司ASMI(ASM International,直译为ASM国际)的老板Arthur Del Prado跑来,自荐要接下飞利浦的光刻项目。
▲Arthur Del Prado
ASM International创立于1964年,是一家半导体设备代理商,对制造光刻机并无经验。因此,飞利浦犹豫了1年的时间。最终,1984年,飞利浦选择“屈就”,同意与ASMI公司各自出资210万美元,合资成立阿斯麦,由这才开启了阿斯麦的故事。
阿斯麦首任CEO为Gjalt Smit,任职时间为1984~1988年。据称,由于阿斯麦成立初期知名度较低,Gjalt Smit曾在未经授权的情况下在阿斯麦招聘广告中使用飞利浦的标志。
▲阿斯麦创始初期CEO Gjalt Smit
2013年至今,阿斯麦总裁兼CEO由Peter Wennink担任。Peter Wennink早在1999年就加入了阿斯麦,曾担任过执行副总裁、首席财务官等职。在加入阿斯麦之前,Peter就职于全球四大会计师事务所之一的德勤会计师事务所。
▲现任阿斯麦总裁兼CEO Peter Wennink
其实,在与飞利浦合资成立阿斯麦之前约10年的1975年,ASMI就曾在香港开设办公室。最初,ASMI香港办公室只负责销售,随着时间推移,该办公室发展出了生产能力。1988年,ASMI在香港办公室的基础上成立了新公司ASMPT(ASM PACIFIC Technology,直译为ASM太平洋技术)。到今天,ASMPT已成长为全球最大的半导体组装和封装技术供应商之一。
作为站在阿斯麦、ASMI、ASMPT背后的操盘手,Arthur Del Prado成为一代业界传奇,被誉为“欧洲半导体设备行业之父”。2016年,这位传奇人物以85岁高龄逝世,但与他渊源颇深的三家半导体公司仍在创造新故事。Arthur的长子Chuck Del Prado,于2008年接替Arthur继任为ASMI CEO,并于2019年退休。ASMI现任CEO是Benjamin Loh。ASMPT现任CEO是Robin Ng。
回到阿斯麦的故事,飞利浦同意出资210万美元成立阿斯麦,但拒绝提供更多资金和办公场地。成立之初的阿斯麦只有31名员工,由于没有办公室,这31名员工就窝在飞利浦大厦外的简易木板房里办公。当时, 飞利浦绝不会想到,这个几乎被当作“弃子”的项目和退而求其次选择的小公司,孕育出的是能把尼康拉下马的光刻机新星。
▲垃圾车后面就是阿斯麦成立之初的简易木板屋,其后的大厦是飞利浦大厦
如前所说,20世纪80年代还是光刻机的技术红利期。在干式微影技术的技术路线下,阿斯麦成立的第一年就造出了步进式扫描光刻机PAS 2000。 但是,技术的红利期很快就会过去,之后发生的一切会造就光刻机市场的新格局。
▲阿斯麦于1984年推出的PAS 2000
进入21世纪,为了延续摩尔定律,人们改进了晶体管架构方式,但光刻机光源波长卡在了193nm上。这造成的后果是光刻“画”出的线条不够细致,阻碍晶体管架构的实现。要解决这个问题,最直接的方式就是把光源波长缩短,比如尼康、SVG等厂商试图采用157nm波长的光线。
实践中,实现157nm波长的光刻机并不容易。首先,157nm波长的光线极易被193nm光刻机使用的镜片吸收;其次,光刻胶也要重新研发;另外,相比于193nm波长,157nm波长进步不到25%,回报率较低。但在当时,这似乎是唯一的办法。
到了2002年,时任台积电研发副经理林本坚提出:为什么非要改变波长?在镜头和光刻胶之间加一层光线折射率更好的介质不就行了?那么什么介质能增加光的折射率呢?林本坚说,水就可以。与干式光刻技术相对,林本坚的技术方案被称为浸没式光刻技术。经过水的折射,光线波长可以由193nm变为132nm。
时间再往回推15年(1987年),林本坚就职于IBM,那时他就有了浸没式光刻技术的想法。2002年芯片制程卡在65nm之际,林本坚看到了浸没式光刻技术的机会。为了解决技术难题、消除厂商疑虑,林本坚花费半年时间带领团队发表3篇论文。
当时,业界质疑水作为一种清洁剂,会把镜头上的脏东西洗出来,还有人担忧水中的气泡、光线明暗等因素会影响折射效果。根据林本坚团队的研究,他们提出了一种曝光机,可以保持水的洁净度和温度,使水不起气泡。虽然这种曝光机并未在实际中被采用,但林本坚的研究证明了技术上的难题是可以被解决的。
他还亲自奔赴美国、日本、德国、荷兰等地,向光刻机厂商介绍浸没式光刻的想法。但是,有能力进行研发的大厂普遍不买账。
▲林本坚
个中原因也不难理解,自20世纪60年代起,玩家入局光刻机市场,在干式光刻技术上投入了大量财力、人力、物力,好不容易踏出一条可行的技术路线。如果按照林本坚“加水”的想法,各位前辈就得“一夜回到解放前”,从技术到设备重新 探索 。很少有人舍得这么高的沉没成本。但是,“很少有人”不代表“没有人”。
奔波到荷兰后,林本坚终于听到了一个好消息: 阿斯麦愿做这第一个吃螃蟹的勇士 。2003年10月份,ASML和台积电研发出首台浸没式光刻设备——TWINSCAN XT:1150i。2004年,阿斯麦的浸没式光刻机改进成熟。同年,尼康宣布了157nm的干式光刻机和电子束投射产品样机。
但是,一面是改进成熟的132nm波长新技术,一面是157nm波长的样机,胜负不言而喻。
数据显示,在2000年之前的16年里,ASML占据的市场份额不足10%。2000年后,阿斯麦市场份额不断攀升。 到2007年,阿斯麦市场份额已经超过尼康,达到约60%。
当命运之神把浸没式光刻微影的机遇摆放到阿斯麦、尼康等玩家面前,只有阿斯麦勇敢地伸出手,而尼康则是成也干式微影、败也干式微影。 在全球光刻机市场这一回合的较量中,阿斯麦选择了正确的技术路线,从而赢得了后来居上的机会。
▲首台浸没式光刻设备——TWINSCAN XT:1150i
如果说推出浸没式光刻机让阿斯麦领先尼康一步,那么突破EUV光刻技术则让它成为了名副其实的光刻机一哥。2010年至今,EUV光刻市场中只有阿斯麦一位玩家。
突破10nm节点能够带来的经济效益不必赘述,在众多玩家中,为什么只有阿斯麦掌握了EUV光刻机的核心技术?实际上,这与它集合了美国、欧洲的顶级科研力量有关。 这段故事还要从1997年讲起。
1997年,英特尔认识到跨越193nm波长的困难,渴望通过EUV来另辟蹊径。为了能从其他玩家处借力,英特尔说服了美国政府,二者一起组建了一个名为“EUV LLC(The Extreme Ultraviolet Limited Liability Company,极紫外线有限责任公司)”的组织。EUV LLC里可谓是群英荟萃,商业力量有摩托罗拉、AMD、英特尔等,还汇集了美国三大国家实验室。
EUV LLC里,美国成员构成了主体。在对外国成员的选择上,英特尔和白宫产生了分歧。英特尔看中阿斯麦和尼康在光刻机领域的经验,想拉他们入伙。但白宫认为如此重要的先进技术研发不该邀“外人”入局。
此时,阿斯麦显示出了惊人的前瞻能力,它向美国表示:我愿意出资在美国建工厂和研发中心,并保证55%的原材料都从美国采购,只求你们研究EUV一定要带我玩。
如此诚意让美国难以拒绝,就这样,阿斯麦成为EUV LLC里唯二的两家非美国公司之一,另一家是德国公司英飞凌。
反观尼康,这一次则完全是吃了国籍的亏。1998年发表的文件《合作研发协议和半导体技术:涉及DOE-Intel CRADA的事宜》,写明了尼康被排除在EUV LLC外的终极原因:“……有人担心尼康会成功将技术转移到日本,从而消灭美国的光刻工业。”
1997年到~2003年,阿斯麦和世界顶级的半导体领域玩家聚集在EUV LLC,用了6年时间回答一个问题:EUV有可能实现吗?他们发现答案是肯定的。至此,EUV LLC使命完成,在2003年就地解散,其中各个成员踏上独自研发之路。
其实,其他欧洲、日本、韩国的玩家也曾 探索 过EUV光刻技术。但是,他们的实力始终无法与汇集了美国顶级科研实力的EUV LLC相比,这意味着阿斯麦在EUV研发之路上占得先机。国际光电工程学会(SPIE)官网写出了EUV LLC的重要性:“如果不是EUV LLC对技术的形成和追求,EUV光刻技术就不会成为IC制造领域的未来竞争者。”
6年时间里,EUV LLC证明了用极紫外线作为光源造光刻机是可行的,但却没指出一条明路。到了2005年,EUV光刻机还是连个影子都没有,但巨额的研发资金、难以跨越的技术瓶颈已经足以让大多数玩家望而却步。但是,阿斯麦还是不肯死心,并且决定要牵头欧洲的EUV研发项目。 如果说在EUV LLC中,阿斯麦是蜷缩在角落里等待被其他大玩家“带飞”,那这一次,阿斯麦则是要自己做领头雁。
研发过程面临的困难无非集中在资金和技术两方面,阿斯麦把它们逐个击破。缺钱?那就去找,阿斯麦从欧盟第六框架研发计划中拉来2325万欧元经费。缺技术?阿斯麦集合3所大学、10个研究所、15个公司联合开展了“More Moore”项目,着力攻坚。
终于,2010年,阿斯麦出货了首台EUV光刻机。这台光刻机型号为NXE:3100,被交付给台积电,用于进行研发。
至此,在EUV市场,阿斯麦已经做到了人无我有,接下来的问题就是产品的迭代和进化。2013年,阿斯麦收购了光源提供商Cymer,为公司量产EUV设备打基础。经过几次升级,阿斯麦在2016年推出首台可量产的EUV光刻机NXE:3400B并获得订单。NXE:3400B售价约为1.2亿美元,从2017年第二季度起开始出货。直到今天,产品的迭代还在继续。根据阿斯麦的信息,EXE:5000系列光刻机样机最快在2021年问世。
从1997年到2010年,13年的艰难求索,终于让阿斯麦攻克了EUV的技术高地。辛勤付出终有回报, 目前,阿斯麦仍是唯一掌握EUV光刻技术的厂商。
▲阿斯麦的最新EUV光刻机TWINSCAN NXE:3400C
根据公开信息,一台EUV光刻机售价约为1.2亿美元,一台DUV光刻机的售价也要数千万美元。在高额售价的背后,是前期研发阶段巨量的资金投入。要支撑对光刻技术的研发,阿斯麦必须找到一条可持续的“财路”,否则就可能陷入困境。
事实上,阿斯麦也的确经历过“财政危机”。1988年,阿斯麦进军台湾市场,还未来得及在新的市场竞争中喘口气,老东家ASMI就因无法获得预期内的回报比作出撤资决定。同时,由于当时全球电子行业市场不乐观,飞利浦也宣布了一项成本削减计划。内外夹击之下,阿斯麦几近破产。好在危机时刻,时任阿斯麦CEO Gjalt Smit联系了飞利浦董事会成员Henk Bodt,后者说服了飞利浦董事会,为阿斯麦拉来一笔约1亿美元的“救命钱”。
这笔资金帮助阿斯麦在进军台湾市场的初期站稳了脚。随后几年,阿斯麦凭借步进式扫描光刻机扭亏为盈,并于1995年3月15日在阿姆斯特丹和纽约证券交易所成功上市,上市首日市值为约1.25亿美元。
▲Henk Bodt
为了能够获得充足的资金支持,2012年,阿斯麦提出一项 “客户联合投资计划”(CCIP,Customer Co-Investment Program) ,简单来说,就是接受客户的注资,客户成为股东的同时拥有优先订货权。这无疑是一个双赢的举措:把阿斯麦的研发资金压力转移出去,让客户为先进光刻技术的研发买单,这样不仅使阿斯麦无后顾之忧地进行研发,也保证了客户对先进光刻技术的优先使用权。
2012年,芯片制造行业3大龙头英特尔、台积电、三星都推出了22nm芯片产品。CCIP计划一经推出,这3家公司纷纷响应。根据协议,英特尔斥资41亿美元收购荷兰芯片设备制造商阿斯麦公司的15%股权,另出资10亿美元,支持阿斯麦加快开发成本高昂的芯片制造 科技 。台积电投资8.38亿欧元,获取阿斯麦公司约5%股权。三星斥资5.03亿欧元购得3%股权,并额外注资2.75亿欧元合作研发新技术。
最终,阿斯麦以23%的股权共筹得53亿欧元资金。要知道,2012年全年,阿斯麦的净销售额才约为47.3亿欧元。
在 科技 圈,研发、创新能力就是生命力。华为5G、芯片技术为什么强?任正非曾在接受采访时表示,2020年华为将把约200亿美元(约合人民币1420亿元)花在研发上。而在研发方面,阿斯麦与华为一样“疯狂”。
早在2002年,阿斯麦就敢向浸没式光刻技术押注。到了今天,大力投资搞技术研发已经成为阿斯麦的传统。
根据2019年度财报, 阿斯麦全年投入了20亿欧元用于技术研发,占到净销售额(118.2亿欧元)的16.9% 。相比之下,2019年尼康在光刻系统上的投资为3.98亿日元,占到光刻系统营收(2397.28亿日元)的约0.17%。
2007年开始,“时年”13岁的阿斯麦开始以领先的姿态傲然于光刻机市场,至今仍然如此。列出阿斯麦近些年的研发投入,或能解释它这么多年来屹立不倒的原因。
▲近5年阿斯麦研发投入及营收情况
另外,在专利网站Patentscope上的搜索结果显示, 阿斯麦申请的专利数目已经达到14444项 。阿斯麦虽然是一家商业公司,但支撑它走得更远的,不是对金钱的追求,而是对技术的长远投资。
回顾过去36年,阿斯麦从一个蜷缩在木板房中的小公司成长为一代光刻机巨擘,其中原因少不了 历史 的机遇,如林本坚适时提出了浸没式光刻技术的想法。但是,更具决定性意义的是阿斯麦准确的前瞻和果断的选择,比如,在21世纪初,阿斯麦放弃干式微影,转投浸没式光刻技术;再比如,早在1997年,阿斯麦以自身妥协换来EUV LLC的入场券。对于商业与技术相互促进的关系,阿斯麦还有着深刻的理解,多年来对技术研发的大力投入,成为它屹立不倒的重要原因。手握顶尖的技术,阿斯麦还获得了客户的支持,从而在全球光刻机市场中走得更远。
以阿斯麦这36年的历程为鉴,对比我国。1977年,我国第一台光刻机诞生,加工晶片直径为75毫米。今天,国产光刻机制造商有上海微电子、中科院光电所等,最先进的设备推进至22nm节点,而国际最先进工艺已突破5nm节点。国产光刻机无疑还有很长的路要走。
芯片是“中国制造”的痛点。不论是近期华为被美国断供芯片的新闻,还是两会政府工作报告中“国产化”“功率半导体”“传感器芯片”等话题被一再提及,背后的事实都让人黯然:我们曾在一穷二白的条件下造出原子弹,但在GDP总量近100万亿人民币的今天,中国还是难以独立造“芯”。在种种困难中,光刻技术直接卡住了芯片制造的“脖子”。
要解决这一问题,技术攻关当然是必不可少的。另外,借力国外成熟产品或可帮助芯片制造商实现突破。2018年,我国芯片公司中芯国际花费约1.2亿美元,向阿斯麦订购了一台EUV光刻机。由于种种原因,目前,这台光刻机还未成功交付。我们期待它能够尽快落地中国,助力我国的芯片事业再上一个台阶。中国有市场、有人才,也不缺恒心与毅力,相信我国光刻机事业会有光明的未来。
参考文献:
1、《曾经的光刻机霸主:尼康营收暴减九成,裁员 700 人》EE Times China
2、《全球半导体设备龙头专题(一)》安信证券
3、《阿斯麦封神记:这家荷兰公司,扼住了全球半导体芯片的咽喉》魔铁的世界
4、《光刻机的发展与荷兰ASML公司的故事》光纤在线
5、《做成那不可能之梦:低调华人科学家颠覆技术 影响人类》知识分子
6、《More Moore” Shows European EUV Innovation at EUV 2006 in Barcelona》CORDIS
华为芯片都已经在生产了,光刻机肯定是有了。这不过这个光刻机跟你想象的可能并不同。
我们知道,两年前,美国开始制裁华为。
那会华为的海思麒麟芯片是在ARM架构公版的基础上自己设计的。华为只做芯片设计,芯片生产由别人代工。在被制裁之前,华为海思芯片设计出来的产品已经可以比肩第一线的其他手机芯片,像高通、苹果等,虽然可能有些差距,但也不算太远。
美国认为只要禁止华为使用设计芯片的EDA软件,把华为的芯片设计能力限制住了,就是蛇打七寸了。要知道设计芯片所用到的EDA软件是被美国垄断的,我们国内没有一款芯片设计软件能用来设计高端的手机芯片。
因此,美国第一轮制裁华为的主要方式就是禁止华为使用美国的芯片设计EDA软件,以及使用GMS。
然而效果并不大,因为华为海思已经设计出当时技术前沿的芯片,如麒麟9000等。华为拿已经设计完成的芯片给代工厂去生产,还可以维系很长一段时间。让美国一招致华为于死地的想法落空。
因此美国进行了后续几轮制裁,给华为加上了一道道紧箍咒。比如禁止台积电、中芯国际等芯片代工厂给华为生产芯片。
然后美国又发现华为通过大量采购芯片增加库存,以延长制裁下的生存时间。美国当然是难以接受的,他们经过研究,最后还是发现华为准备不足的地方。所谓不足的地方,就是一些关键的半导体小零件,比如电容、电阻、光感零件等等,世界上没有一家企业能全部种类生产的。华为在备货的时候,可能觉得比起手机CPU芯片的重要性,这些小零件觉得不重要,以后需要的话也容易采购,也就忽视了。没想到美国连这些小零件都不给华为,根本目的就是不然华为生存下来。
每一轮制裁都是事先对华为进行仔细研究分析后作出的决定。效果也明显,几轮制裁下来,华为凑不齐生产手机的所有配件,手机销量直线下跌,基本上把手机市场让出去了。
然而, 手机虽然在近几年为华为贡献了一半以上的利润,但华为的基本盘并不是在手机上 ,而是在于华为起家的业务上——通讯设备 ,2G、3G、4G、5G基站设备,以及交换机等等。
在华为做手机之前,华为已经连续几年是通讯设备行业的全世界第一。 而美国的几轮制裁之后,也影响到华为的通讯设备业务,要知道5G也是要用到芯片和其他半导体配件的。被制裁之下,华为海外的5G订单能否完成都成了问题。这也是后来国外客户撤销订单的原因之一。
如果是让华为在通讯设备和手机进行二选一,华为肯定选通讯设备的。毕竟华为是先有了通讯设备,后有手机业务的。这是一个先有鸡,还是先有蛋的选择题。因此华为先要拯救的、要保住的是通讯设备。
还有一个因素,通讯设备对芯片和配件的要求没有手机那么高。手机芯片工艺现在有7、5、3纳米的要求,而通讯设备并没有要求这么精细。关键是国内也没这方面的技术,目前国内28纳米及一下的所有技术都离不开美国的技术,因此华为不可能现在生产28纳米及以下的芯片。
网上看到华为在2020年7月份招聘光刻工艺工程师,就认为华为要做光刻机了。
然而这个光刻机可能跟想象的不同,并不是做手机芯片的,而是为了生产通讯设备的芯片。
好消息还是有的。第一轮制裁的EDA软件,华为自己设计了一个基于40纳米的芯片设计软件工具(EDA TOOL)。
目前,华为已经开始在武汉 生产的40纳米的芯片了。生产出来的芯片将用在华为的基站和其他通讯设备上。而整个生产线是去美国化的,全部实现国产化。
并且计划在不久后升级到28纳米工艺。我想,以华为的速度,40、28纳米工艺完成之后,14、10纳米并不会太远。10纳米已经可以勉强用在手机上了。只要给华为时间,一切都不是问题。
光刻机被称为半导体工业皇冠上的明珠,其技术要求之高可见一般。因此,华为显然不会自己研发制造光刻机,这里面涉及的技术是系统工程,绝对不是一家厂商可以解决的。
但是,华为在芯片领域有着自己的技术累积以及雄厚的资金实力,这些方面很大程度上可以帮助光刻机的研发,参与到整个光刻机研发体系中,进一步加快推进我国先进光刻机的研发。
1、华为无法独立研发制造光刻机: 光刻机是一个复杂的系统工程,其自身拥有多个核心子系统,每个系统可以说都需要全球顶尖的技术实现,比如双工件台、浸液系统、物镜系统、准分子激光光源等等。这些子系统以华为自有技术完全是搞不定的,没有对应领域的技术累积根本没法研发。
除了核心子系统的技术研发外,还需要将技术产业化,这就需要有对应的生成厂商来制造,而这块国内也是分工的,各子系统都有专业领域的厂商来生产。比如双工件台有华卓精科制造、浸液系统有启尔机电、光源系统有科益虹源等等。,
整个光刻机研发制造体系基本上就是科研机构(浙大、清华、长春光机等)专攻技术研发,然后再有专业厂商进行产业化。
由此可见光刻机产业的体系庞大而又专业,华为虽然是国内第一 科技 企业,但显然无法面面俱到,什么都自己干!
所以,华为无法自己研发光刻机!
华为投资光刻机相关领域: 虽然华为无法自己研发制造光刻机,但是其芯片领域累积的技术的确可以帮助整个光刻机的研发,也的确可以参与到光刻机的研发过程中来,以他们的实践经验来解决部分研发过程中的一些问题。
目前,有消息称华为旗下的投资公司哈勃投资入股了科益虹源,成为该企业的第七大股东,股权比例为4.6%。
科益虹源目前掌握有193nm ArF准分子激光技术,这也是光刻机的最核心三大子系统之一,对应的技术在领域内全球第三,国内第一。
显然,华为这是想通过自己的投资来直接推动光刻机的研发进度。光刻机这种核心技术研发和产业化需要大量资金投入,光建设生产工厂就需要很大的资金投入,早前科益虹源北京的工厂建设就花了5亿。华为资本的入股能解决厂商的资金问题,同时也能加快光刻机的产业化。
Lscssh 科技 官观点: 综合现有的信息来说,华为是不可能自己研发光刻机的,但是必定会想办法参与到这个过程中来,会以自己的形式来支持和推动我国光刻机的研发生产,入股科益虹源只是方式之一。
根据公开的消息,哈勃投资最近1~2年已经入股大量半导体产业线厂商,涉及半导体材料、装备,具体涵盖模拟芯片、碳化硅材料、功率芯片、人工智能芯片、车载通讯芯片等热门半导体产品线。
不要说你不爱国,我认为华为永远不会有生产光刻机和用来实际生产的能力,因为他只是一个组装厂
这就是卡住中国的那个所谓的光刻机,不错,是一种复杂而又混乱的高 科技 技术的产物。
先简单的了解一下光刻机的主要作用;光刻机(Mask Aligner) 又名:掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等,是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。
光刻机是芯片制造的关键设备,不光华为在研发,像SMEE、合肥芯硕半导体有限公司、先腾光电 科技 有限公司、无锡影速半导体 科技 有限公司等一些企业,在光刻机上衣和有自己的成果,这些公式只是在低端市场占比的,高端的就是中科院光电技术研究所的技术,现在光刻分辨力达到22纳米,结合双重曝光技术后,未来还可用于制造10纳米级别的芯片,它这个22纳米的属于单次曝光,还制造不了芯片。
虽说就这关键一步让有些小人之国卡住了技术难关,这种现状的主导原因,是中国不会有其自己研发的芯片,其实这个并不是什么坏事,反而会激励咱们国内的一些高 科技 公司在国家的大力支持下会更快的加速研发,华为就是其中一家,也是深受其害最惨的一家,有了前车之鉴肯定会加大力度研发光刻机的成型,相信中国的力量和技术,不会输给世界上任何一个国家的,说不定会让光刻机的技术更成熟更省劲,说不定这越复杂的东西反而会让我们有捷径可走,就不信了,你们搞的复杂,一个光刻机需要很多家公司的产品组合起来才能组成光刻机的整体进行使用,相信我们不会搞的这么复杂,也会让世界为之震惊,脑子是要动起来的,动起来了你们谁都跟不上,相信华为定不负众望,完成光刻机的研发,让中国靠又一项技术站在世界之巅,受制于列强国家的情况永远不会再发生。相信华为相信中国!
谢谢!!!
1、大族激光(002008):2020年6月17日公司在互动平台称:公司在研光刻机项目分辨率3- 5μm,主要聚焦在分立器件、LED等领域的应用,今年有望实现小批量销售。 2、张江高科(600895):公司在互动平台表示,上海张江浩成创业投资有限公司2016年投资了 上海微电子装备有限公司22,345万元,投资比例为10.779%。 3、晶方科技(603005):公司在互动平台表示,荷兰光刻机制造商ASML为公司参与并购的荷兰 Anteryon公司的最主要客户之一。Anteryon为全球同时拥有混合镜头、晶圆级微型光学器件工艺 技术设计、特性材料及量产能力的技术创新公司,其产品可广泛应用于半导体精密设备、工业自 动化、汽车、安防、3D传感器为代表的消费类电子等应用领域。 4、赛微电子(300456):公司在互动易平台披露:公司一直为全球光刻机巨头厂商提供透镜系 统MEMS部件的工艺开发与晶圆制造服务。ASML为公司商业合作伙伴。公司瑞典与北京分别拥有 数台光刻机;瑞典产线2017-2019年产能利用率一直保持在80%以上的高水平 5、万业企业(600641):全资子公司凯世通采取“领先一步”的策略、采用有国际竞争力的设 计理念,着力研制16纳米及以下制程的FinFET集成电路离子注入机,并针对研制低能大束流离子 注入机所需要解决的关键技术和技术难点,建立起相应的研发平台、相关核心关键技术及工艺的 研究参数数据库和性能检测规范标准。2019年凯世通的低能大束流离子注入机迁机成功,顺利进 入离子注入晶圆验证阶段。参股公司上海半导体装备材料基金持有华卓精科2.08%股权。 6、上海新阳(300236):公司在互动易平台表示,中芯国际是公司的主要客户之一。2020年2 月,公司在互动易平台披露,公司KRF光刻机能支持96层3D NAND用光刻胶研究,及250nm、 130nm工艺制程逻辑电路用光刻胶研究。公司正在加快开发第三大核心技术——光刻技术,在集 成电路制造用ArF干法、KrF厚膜胶、I线等高端光刻胶领域已有重大突破。同时,积极布局半导体 硅片、半导体湿法工艺设备、平板液晶显示用光刻胶等业务领域。 7、南大光电(300346):超募资金投资”ArF光刻胶产品的开发与产业化”项目。 8、飞凯材料(300398):公司从事PCB光刻胶专用化学品。 9、胜利精密(002426):胜利精密计划募资不超过20亿元,投向光刻机产业化。 10、华特气体(688268):华特气体是特种气体龙头企业。 11、福晶科技(002222):公司是全球最大的LBO、BBO晶体供应商,也是全球重要的Nd: YVO4晶体供应商,控股子公司青岛海泰光电技术有限公司是国内最大的KTP晶体生产商。公司产 品已被全球各大激光器公司广泛采用,公司与客户建立了良好的合作关系,在客户中享有良好的 声誉,并树立了良好的品牌形象。公司品牌“CASTECH”已在全球激光界树立了高技术、高品 质、优服务的市场形象,核心产品被国际业界誉为“中国牌晶体”。 12、智光电气(002169):粤芯采购的是荷兰ASML阿斯麦公司的光刻机。智光电气间接持有粤 芯半导体股权。 13、容大感光(300576):公司为拓展业务范围及产品应用领域,投资设立控股子公司上海芯刻微 材料技术有限责任公司进行193nm干法光刻胶研发及产业化项目。 14、强力新材(300429):公司从事PCB刻胶专用化学品。 15、晶瑞股份(300655):该公司光刻胶产品已经通过中芯国际上线测试并取得订单。 16、光华科技(002741):针对面板行业对光阻材料的巨大需求,公司引入韩国光阻材料供应商 SMS、KISCO、DKC,国内部分客户已进入材料打样测试认证阶段,下一步公司将配合客户逐步 实现量产。 17、蓝英装备(300293)公司在互动平台称:公司瑞士子公司UCMAG主要为光学和精密仪器行 业提供清洗设备。对于精密光学、医学工程、精密机械以及PVD、CVD涂层前清洗等典型的清洁 度要求最高的应用领域,公司在精密清洗业务板块的代表产品UCM系统可提供全套个性化的设备 及解决方案。凭借行业领先的技术实力,UCMAG为ASML(荷兰光刻机制造商阿斯麦公司)及其 供应商提供极紫外光刻机(EUV)的光学系统相关关键部件的清洗设备。 18、江化微(603078):公司孙公司无锡澄泓生产的产品主要是光刻胶剥离液,目前主要用在液 晶面板领域。 19、高盟新材(300200):公司主营业务为超净高纯试剂、光刻胶配套试剂等湿电子化学品的研 发、生产和销售。 20、奥普光电(002338):公司从事的主要业务为光电测控仪器设备、光学材料和光栅编码器等 产品的研发、生产与销售。2020年5月31日互动平台讯,公司大股东长春光机所正在研发更高水 平的光刻机曝光系统。 21、西陇科学(002584):公司是一家专业从事微电子化学品的产品研发、生产和销售的高新技 术企业,主导产品包括超净高纯试剂、光刻胶、功能性材料、锂电池材料和基础化工材料等。 相关推荐 22、同益股份(300538):2019年3月13日公司互动平台披露博砚电子为宝通辰韬投资,该公司 是一家研发、生产光阻的厂家,主要产品为彩色滤光片用光阻黑色矩阵光阻、感光间隙材料,产品广 泛适用于液晶显示屏、印刷电路和集成电路以及印刷制版等。 23、广信材料(300537):2018年公司主营业务产品仍以光刻胶专用化学品为主,分为光刻胶用 光引发剂和光刻胶树脂两大系列。
华为作为国内智能手机行业的技术天花板和全球5G通讯龙头,其在海内外市场的广泛影响力招来了国外厂商的妒忌。为了限制我国半导体行业的发展,以美国为首的半导体垄断联盟开始打压国产半导体厂商。
但华为终归是华为,在美国垄断联盟的高强度打压下,华为依旧在2021年4月22日完成麒麟芯片的商标注册。彼时,有关华为3纳米麒麟芯片正在设计的消息传播开来。不知大伙是否想过这样一个问题,倘若不计成本,华为能否制备出3纳米麒麟芯片呢?
我是柏柏说 科技 ,资深半导体 科技 爱好者。本期为大家带来的是:国内芯片代工制程的发展现状、若整合国内顶尖制程技术,华为3纳米麒麟芯片能否实现量产的分析。
芯片制程可分三大环节:逻辑芯片设计、芯片代工制造、芯片封装测试。为了便于大家理解,这里为大家逐个环节解析。首先是逻辑芯片设计,逻辑芯片设计需要经过很多环节,其中最重要的技术便是指令集架构。
在这里穿插一点,由于华为拥有ArmV8架构的永久使用权,在此推测麒麟9010有很大概率是基于ArmV8架构打造的。但Arm公司于2021年推出了新一代ArmV9架构,但因美国技术限制的影响,华为无法使用Arm公司最新推出的ArmV9架构。苹果A15以及骁龙895使用的是ArmV9架构。
回到国内,架构方面,我们拥有龙芯中科推出的具有自主知识产权的loong Arch架构,由于可以编译Linux操作系统,loong Arch架构可以用在手机芯片的设计当中。这给未来Loong Arch的推广以及国产指令集架构完成国产替代化埋下伏笔。
有关半导体芯片的封装测试,与我们在芯片代工领域被光刻机“卡脖子”的处境不同,我国在芯片封装测试环节中的技术比较可观。虽说与国外依旧存在一些距离,但可以满足半导体芯片封装技术的绝大部分要求。例如国内市占率第一,全球市占率13%的长电 科技 。
简单介绍完逻辑芯片设计与芯片封装测试,下面便是决定我国能否实现芯片自主化生产目标的关键因素“芯片代工环节”。芯片代工可分为晶圆制造、关键尺寸量测、晶圆曝光、刻蚀、清洗等环节。而在晶圆制造、刻蚀机、清洗、关键尺寸量测设备上,目前我国基本上能够实现自给自足的目标,最重要的便是光刻机。
换句话说,光刻机是制约我国半导体行业发展的关键因素。光刻机分为三大核心技术:双工件台、光刻光源、光刻镜头。双工件台我们有北京华卓精科,值得一提的是,华卓精科是继ASML之后,全球第二家掌握双工件台技术的中国厂商。上海微电子的28纳米浸入式光刻机,使用的双工件台系统便是华卓精科的。
光刻光源方面,清华大学破冰“稳态微聚束”光源,缩短了光源波长,助推我国未来半导体芯片制程的发展。长春光机所、上海光机所、哈工大团队着手EUV光源,成功破冰国外技术壁垒,推出了与ASML EUV光刻机同等效力的极紫外光源。
至于难度最高的光学镜头,中科院承接的超高能辐射光源、中科科仪旗下的中科科美推出的 直线式劳埃透镜镀膜装置及纳米聚焦镜镀膜装置,为光镜头提供了一定的技术支持。但这只是解决了光学镜头的其中一个环节,有关镜头的镜面打磨和材料等问题,还没有得到解决。换句话说,镜头已经是国产半导体需要着重攻坚的项目。目前我们只是实现了光镜技术从零到一的突破。
倘若排除成本,华为的3纳米麒麟芯片可以通过什么方式实现生产呢?
激光雕刻与采用石墨烯、硫化铂材料的浸入式生产。我国对激光技术的应用可谓炉火纯青,曾经卡住美国半导体发展十五年的福晶 科技 旗下的KBBF晶体便是一个很好的例子。采用激光雕刻,可以满足3纳米及3纳米以下的芯片生产。但该类方式的生产效率很慢,时间成本、人力成本以及设备后续的维修费也很高。
其次是石墨烯晶圆与硫化铂材料制程的半导体芯片,由于其内置规格的优越性与极高的热传导性、导电性。同等制程下制成的石墨烯芯片、硫化铂芯片其性能是传统硅基芯片的5~10倍。倘若不计较后续材料、技术推进所需的设备、人才培养费,石墨烯与硫化铂材料可以满足华为3纳米芯片的生产。
目前我们在芯片代工领域中实现了许多从无到有的突破,芯片制造已经来到了28纳米的制程节点。有关14纳米制程,中国电子信息产业发展研究院电子信息研究所所长温晓君在接受采访时表示:我国将在2022年完成14纳米项目的攻坚,实现14纳米制程设备的交付。祝愿国产半导体厂商愈发强大,在半导体领域中早日掌握自主权。
对于我国的半导体行业发展现状,大伙有什么想说的呢?对于国产半导体行业的发展,你有什么好的意见或是建议呢?欢迎在下方留言、评论。我是柏柏说 科技 ,资深半导体 科技 爱好者。关注我,带你了解更多资讯,学习更多知识。
10月4日晚,芯片制造商中芯国际(00981.HK)在港交所公告确认,已受到美国出口管制。9日,中芯国际宣布称,基于部分自美国出口的设备、配件及原材料供货期会延长或有不准确性,公司正在评估该出口限制对本公司生产经营活动的影响,或造成重要不利影响。
此次,美国选择对中芯国际进行“进出口管制”的限制,也是为了对我国芯片制造领域进行压制。
目前全球半导体设备领域,美日两国垄断了全球80%左右的市场份额,其中美国占全球50%的市场,日本占30%,且在先进工艺上没有替代品,荷兰的ASML(镜头来自德国)基本受控于美国指令,因此相当于美国把光刻机这一块给控制了。
中芯国际是中国内地规模最大、技术最先进的集成电路芯片制造企业,提供 0.35微米到14纳米制程工艺设计和制造服务,其中最重要的就是光刻机。
作为芯片制造的核心设备——光刻机是关键核心技术。光刻机对机械精度要求非常高,光刻机中心的镜头由很多镜片串联组成,一块镜片要数万美元,镜片的抛光工作其技术积淀需要几十年甚至上百年,所以对于起步较晚的我国来说,发展自己的光刻机技术可谓一场攻坚战。
所以如果中芯国际被美国“限制”,其他芯片制造企业再“断供”的话,对于国内很多电子设备制造企业来说,将会彻底处于受制于人的被动状态。
所幸,目前我国已经在努力冲破其他国家的封锁和遏制,最好光刻机的公司每年也都会新增数百项的专利。
有报道称,而为了应对当前的不利形势,中芯国际在几个月前就从日本等国家采购了大批的关键设备和零部件,能够保证在一段时间内业务可以持续开展,避免出现断供。同时,中芯国际也已经计划在2020年内建设一条可生产40nm芯片的生产线,3年内完成28nm生产线的建设,以完全削弱对国外技术的依赖。
对于我国光刻机技术的发展,刚刚结束的“第三届半导体才智大会”上,新落成的中国第一家“芯片大学”——南京集成电路大学,也对我国未来芯片事业的发展才提供关键利好。这也是自美国对华为等公司进行芯片限制后的1年多时间以来,我国在 科技 领域及半导体领域的大进展。
如果说“限制”华为是美国政府对中国 科技 产业打压的开始,那么刚刚又宣布对中芯国际的“禁令”,或是美国“绞杀”中国半导体产业链的开始。因此,对于我国高 科技 企业而言,要尽快推进自主研发的能力,避免接下来更多中国半导体产业链企业被打击。
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