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半导体产业,谁卡着光刻机的脖子?

半导体产业,谁卡着光刻机的脖子?

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来源:郭大路的小酒馆,作者:郭大路



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1945年,二战接近尾声时,巴顿将军率领第三集团军,不顾破坏《雅尔塔协定》的风险,闯入划给苏联的东德占领区。他们的目标不是军事重镇,而是一家叫蔡司的公司。


这家公司是光学领域的佼佼者,战争期间为德军生产望远镜、测距仪、航空摄像机等,是德军武器装备的重要供应商。


当时战争尚未结束,但美苏两国已盯上了德国的科技资源,美国策划的“回形针行动”,向欧洲派遣了一支由3000名科学家和专家组成的的技术部队,评估筛选德国的科技资源。顺便说一句,钱学森当时也在这支特殊的队伍中。


蔡司公司,当时被美军列为首要目标之一。


美国人原本打算用600多辆卡车将整个蔡司搬到西德去,不料,由于苏军推进太过迅速,措手不及之下,美国人决定“拿走公司的大脑”,将蔡司最核心的100多名员工转移到西德,在那里建了个新蔡司。


当时美军的行动主要基于军工潜力方面的考虑,但恐怕谁也不会想到,这家靠生产光学镜头起家的家族企业,在大半个世纪后,仍能影响整个世界高科技产业链的格局。


今天,当我们讨论芯片面临的卡脖子困境时,谈论最多的,是光刻机,是阿斯麦(ASML)。但其实,光刻机背后,是一大批欧美的先进技术在支撑,而蔡司是其中最关键的一环。


目前最先进的极紫外光刻机(EUV),需要极其精密的光学镜头,目前全世界只有蔡司一家能够做到,别无二家。


可以说,没有蔡司,就不会有EUV光刻机,也就不会有7nm以下芯片,也就不会有iPhone14这样强大的智能手机。


在油管上看到过一期关于蔡司与半导体工业的视频,标题就是“没有这家德国公司,整个现代文明都将崩塌”。这句话有些夸张,但很大程度上也确实反映了蔡司的重要性。



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1846年,中国还是大清朝道光年间,一个叫卡尔·蔡司的德国工匠创建了一个小作坊,生产显微镜和其他测量仪器,就是今天蔡司的前身。

170多年来,蔡司镜头凭借完美的设计和高超的工艺技术,在光学领域始终走在世界最前列。

蔡司成立不久后,便与附近的耶拿大学建立了合作关系。1863年,耶拿大学一个叫恩斯特·阿贝的物理学家来到蔡司的车间,让蔡司给他制造几台做物理实验需要用到仪器。

这位物理学家后来成为蔡司的研究总监和股东,对蔡司产生了深远的影响。

阿贝将最前沿的光学理论引入到产品生产中。尤其是他1872 年提出的显微成像波动理论,基于数学模型来设计光学镜头,取代了过去低效的试错法,使蔡司成为光学领域的领先者。

1888年12月,公司创始人去世,阿贝做了个重要决定:把他所有的股份都放在一个名叫卡尔·蔡司的基金会里,他还拉来另外两家公司也加入基金会,并为基金会制定了章程。

按照章程,蔡司公司的利润为除了用于公司发展,剩余的利润通过基金会来资助科学研究、文化活动和员工福利计划。

阿贝还率先引入8小时工作制,提供带薪休假等福利,而当时德国的其他工厂,工人每天平均工作10小时。

那时候,是1900年。德国首任总统西奥多·豪伊斯称阿贝为“理性主义圣人”。

卡尔·蔡司与恩斯特·阿贝

到1914年,第一次世界大战前夕,蔡司已经发展成为世界最大的相机生产公司,他们生产的双筒望远镜也大受军方欢迎,为公司带来了滚滚订单。

尽管20世纪上半叶战乱不断,德国又先后经历了两次世界大战,但蔡司的业务还是飞速扩张,从最开始的显微镜到相机、望远镜,再到后来的摄像机、天文望远镜,当年的小作坊,逐渐成为光学领域的无冕之王。

二战期间,蔡司生产的光学元件在德军武器装备中起到了重大作用。当然,战争后期当盟军对德国进行轰炸破坏时,蔡司也成为重要目标。

二战时蔡司是德军重要武器供应商

再接着,便是本文开头提到的“回形针行动”。

美国战略情报局先后将1600多名德国科学家和工程师转移,很多后来去了美国,其中最著名的是研发德国V-2火箭的冯·布劳恩。这些科学家为后来美国赢得太空竞赛打下了根基。

在这场行动中,蔡司的核心人才也被美军抢走,而迟了一步的苏联,只好把剩下的机器设备统统搬到苏联,蔡司也自此一分为二,在两种完全不同的体制下继续存活。

蔡司是一家在大众层面相对低调的公司,但在人类历史上很多重大历史时刻,都能看到它的身影。

1969年,阿波罗11号登陆月球,当时宇航员携带了两台哈苏相机,搭载的就是蔡司生产的镜头,在月球上拍下了众多意义非凡的照片。

这两台相机,至今仍留在月球上。

这张著名的照片便是来自蔡司镜头

1989年,柏林墙倒塌,东西德已分开数十年的两家蔡司试图合并。

当时东德蔡司人员臃肿,有多达5万名员工,但其中许多人是只挂名不工作。对这个混得实在不怎么样的东德“表兄”,西德蔡司实在没啥兴趣,不过最后还是迫于政治压力勉强接受了合并。

其实,西德蔡司当时也有着自己的烦恼。

80年代,随着日本佳能、尼康的崛起,蔡司的镜头在相机领域开始失去竞争力,市场不断被蚕食,就连以前的老客户哈苏相机,也开始转向日本公司生产的镜头。

不过,就在这时候,一家成立不久的荷兰小公司找上门来,开始了与蔡司相爱相杀至今的传奇经历。

这家当时名不见经传的小公司,就是如今半导体产业皇冠上的明珠、光刻机领域的王者,阿斯麦(ASML)


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ASML对半导体产业来说有多重要?用ASML总裁彼得·温宁克在2017年接受专访时说的一句话就是:

“如果我们交不出EUV光刻机,摩尔定律就会从此停止。”

目前,摩尔定律的极限已实现5nm制程,接近3nm、2nm,想要实现这一制程节点,就一定要用到荷兰ASML的EUV光刻机。

一台EUV售价高达1亿欧元,堪称印钞机,而且排队抢着买还不一定能买到。

不过回到上世纪80年代,ASML刚成立时,境况只能用惨淡来形容。

ASML脱胎于大名鼎鼎的飞利浦,前期主要的技术来源也是飞利浦的NatLab实验室。不过,1984年从飞利浦独立出来时,ASML可以说是一穷二白,连办公场所都是在飞利浦旁边临时搭的“窝棚”。

好在当时公司有个比较能“画饼”的CEO,硬拉着一帮员工鼓舞士气,一步步搞出了被市场接受的光刻机。

不过,在摩尔定律推动下,随着集成电路的飞速发展,对光刻机的要求也越来越高,而对光刻机性能影响最关键的,是其中的光学元件。

ASML的工程师发现,他们之前的光学镜头供应商开始无法满足需要。找来找去,蔡司进入了荷兰人的视野。

当他们前往蔡司拜访时,接待他们的是蔡司数学部门负责人格拉策尔,他是全球光学届的翘楚,为哈苏相机设计过广角镜头,为此还赢得了NASA颁发的阿波罗成就奖。

在等级森严的蔡司,最重要的部门是数学部门,数学家属于最高阶层,他们的工作是进行透镜相关的计算。他们有自己宽敞的办公室,就连午餐时间都比其他人要长。

ASML与蔡司的合作很不顺利,很长时间里,两家都在扯皮和掐架。

在半导体领域,蔡司自1968年便开始为电路板曝光设备提供镜头。不过,这块儿一直属于边缘业务,蔡司并不重视,对ASML这家成立没几年的小公司,当然更不上心。

当时,ASML雄心勃勃,推出了具有革命性意义的PAS 5500光刻机,可以成像0.5~0.6微米的细节,获得了市场认可,ASML计划批量生产。

但这一机型需要的光学镜头不仅要求极高,数量也多,而蔡司蜗牛一般的速度,根本无法满足要求。

PAS 5500

ASML也想过找替代供应商,但都以失败而告终。没办法,光刻机所需要的光学镜头变得越来越精密,越来越复杂,看遍全世界,只有蔡司一家能做到。

ASML的命运,就掌握在蔡司手里。

蔡司的作风古板而传统,当时还在用传统的工匠打磨方式生产镜头:手动抛光,肉眼分辨瑕疵,反复修正,这需要有多年工作经验的技工才能做到。在蔡司,这种技工被称为“金手指”,每名技工的平均培养时间是6~10年。

1990年,蔡司有6名这样的“金手指”,PAS 5500光刻机需要的i线镜头,他们就算拼命苦干,每年也只能交付10个。

这时候,蔡司终于开始意识到,公司传统的手工生产,是时候退出历史舞台了。

蔡司的光学实验室(O-Lab)开始研发下一代镜头生产技术,主要目标便是实现精度更高、速度更快的自动化生产。

他们自己设计开发各种关键技术:激光干涉测量、自动抛光、自动控制,将蔡司的镜头带向了下一代,也让ASML一步步走上光刻机霸主之位。


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在讲述ASML历史的《光刻巨人》这本书中,蔡司的身影伴随始终。凭借其先进的工艺技术,半个世纪以来,蔡司推动芯片制程缩小了三个量级。

如今,蔡司的四大事业群中,半导体制造已被排到第一位,全球80%的半导体芯片,需要使用蔡司制造的镜头,才能制造出比头发丝还要细数千倍的半导体结构。


可以说,这家低调的德国公司,是半导体领域的幕后之王。

光刻机内部的光路系统


一台EUV光刻机,由超过10万个零件组成,涉及5000多家供应商。几个核心部分,除了蔡司的镜头,它还需要美国Cymer公司的的光源系统,德国的精密仪器等等。

完全可以说,光刻机是西方现代工业体系的集大成,是人类工业革命以来制造业的皇冠。

中国要突破这条产业链的所有环节,靠山寨和逆向工程显然不可能,必须沉下心来,在基础研究领域有所作为。

正如任正非曾感慨:我们国家修桥、修路、修房子,已经习惯了只要砸钱就行,但芯片只砸钱不行,还要砸数学家、物理学家、化学家……

回顾历史,光是蔡司一家,背后就是长达170多年的技术积淀,无数科学家和工程师在反反复复的试验与探索中,才将光学技术推进到了今天登峰造极的地步。

蔡司在超净室装配光刻机的光学模块

而ASML这家相对年轻的公司,除了技术上攻坚克难,更重要的,恐怕还包括市场运作和供应链整合。这种继承全球资源为我所用的模式,对ASML的成功起到了关键作用。

比如,在EUV研发后期,ASML引入了大客户投资,英特尔、台积电和三星共同出资数十亿欧元,参与EUV光刻机的研发。

这不仅减轻了ASML自身的资金压力,还提前搞定了主要客户,逼迫竞争对手不得不放弃研发同类产品。

卡着光刻机脖子的,既有蔡司这样技术雄厚的百年老店,也有ASML对整个产业链的整合能力。所谓卡脖子,表面看卡的是某几项技术,实际上背后是整个体系的较量。

那么与此相对应,我们需要的,既有对基础科学的持续深耕,也有开放的心态,以及培育顶级创新公司的土壤。


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