半导体终极武器光刻机：为何中国难望ASML项背？！有了全套图纸也做不出来

来源： XuS风险创投行

指甲盖大小的芯片，密布千万电线，纹丝不乱，需要极端精准的照相机——光刻机。光刻机精度，决定了芯片的上限。

EUV

半导体业的终极武器

这全靠总部后头那栋最高机密的巨型厂房，里头身穿无尘衣的员工正在组装，如同货柜车般大的EUV微影系统3350B之赐。这是令全球半导体业引颈期待的「终极武器」。

台积电、英特尔都寄望，这台史上最昂贵的「工具机」，会在2017年开始试产的七纳米制程大发神威，成为主力机种。

全球每年生产上百亿片的手机晶片、记忆体，数十年来都仰赖程序繁琐，但原理与冲洗照片类似的曝光显影制程生产。

其中以投射出电路图案的微影机台最关键、也最昂贵。过去十多年，全球最先进的微影机，都采用波长一九三奈米的深紫外光，然而英特尔、台积电量产的最先进电晶体，大小已细小到仅有数十个奈米。这形同用同一支笔，要写的字却愈来愈小，最后笔尖比要写的字还粗的窘境。

要接替的「超细字笔」，技术源自美国雷根时代「星战计划」，波长仅有十三奈米的EUV；依照该技术的主要推动者英特尔规划，2005年就该上阵，量产时程却一延再延。

因为这个技术实在太难了： 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（奈米的千分之一）计。

这是什么概念？ASML总裁暨CEO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。

「满足这类（疯狂）的要求，就是我们的日常工作，」两年前由CFO接任CEO的温彼得说。

因为EUV的技术难度、需要的投资金额太高，另外两大微影设备厂──日本的Nikon和佳能，都已放弃开发。ASML俨然成为半导体业能否继续冲刺下一代先进制程，开发出更省电、运算速度更快的电晶体的最后希望。

「如果我们交不出EUV的话，摩尔定律就会从此停止，」温彼得缓缓地说。因此，三年前，才会出现让ASML声名大噪的惊天交易。

英特尔、台积电、三星等彼此竞争的三大巨头，竟联袂投资ASML41亿、8.38亿、5.03亿欧元。（台积电已于去年五月出售ASML的5％持股，获利214亿台币）

 温彼得解释，当时各大厂都要求EUV的研发进度加快，他告诉这些顾客，「希望加快EUV的研发进度，我们就得加倍研发支出。」

于是，ASML研发经费倍增到现在的每年十三亿欧元的规模。多出的一倍，ASML自己出一半，三大半导体巨头合出另一半。

「能够让顾客帮你买单，制造做到最厉害就是这样了，」台湾半导体设备大厂，帆宣总经理林育业佩服地说。

「ASML（在半导体业）的关键地位，真是无与伦比，」上银董事长卓永财也表示。

 “十二五”科技成就展览上，上海微电子装备公司（SMEE）生产的中国最好的光刻机，与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米，相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。

祖传的磨镜手艺

ASML EVU光刻机 问世时售价曾达1亿美元 

光刻机跟照相机差不多，它的底片，是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机，缩微投射到底片，蚀刻掉一部分胶，露出硅面做化学处理。制造芯片，要重复几十遍这个过程。

位于光刻机中心的镜头，由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片，得数万美元一块。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀，需几十年到上百年技术积淀。

“同样一个镜片，不同工人去磨，光洁度相差十倍。”SMEE总经理贺荣明说，他在德国看到，抛光镜片的工人，祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

另外，光刻机需要体积小，但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机，使用波长短的极紫外光，光学系统极复杂。

十三年前的上一场革命

半导体业上一个革命性变革，发生在十三年前。现任台积电研发副总、世界微影技术权威林本坚，在当时力排众议，认为将市面既有的一九三奈米微影透过水折射，效果可较当时被期待接棒的一五七奈米为佳。

ASML也迅速呼应台积电，一年后，推出世界第一台以水为介质的浸润式微影实验样机。该技术大受欢迎，迅速成为业界主流，日本的Nikon与佳能投入巨资研发的一五七奈米微影技术，竟从此被搁置。

这是这家半导体设备业的后起之秀，成为世界第一的关键转折。该公司在微影市场的市占率因此从二〇〇一年的二五％，一路快速爬升到现在的八○％。

为何在历史性的关键时刻，ASML可迅速抓住机会，并达成技术的跳跃发展？

温彼得对这个问题胸有成竹， 「这得归功于我们『开放式创新』（open innovation）的架构。」

3万个机械件全要可靠

有顶级的镜头和光源，没极致的机械精度，也是白搭。光刻机里有两个同步运动的工件台，一个载底片，一个载胶片。两者需始终同步，误差在2纳米以下。两个工作台由静到动，加速度跟导弹发射差不多。

贺荣明说：“相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，不能刻坏了。”

而且，温湿度和空气压力变化会影响对焦。“机器内部温度的变化要控制在千分之五度，得有合适的冷却方法，精准的测温传感器。”贺荣明说。

SMEE最好的光刻机，包含13个分系统，3万个机械件，200多个传感器，每一个都要稳定。像欧洲冠军杯决赛，任何一个人发挥失常就要输球。

核心关键技术必须自主发展

日本一桥大学创新研究中心教授中马宏之，曾对日本微影双雄的败因深入检讨。他在研究论文指出，艾司摩尔微影机台有九○％以上零件向外采购，比例远比竞争对手Nikon与佳能为高，「这种独特的采购策略，是ASML成为市场领导者的关键。」

中马宏之认为，高度外包的策略，让ASML可以快速取得各领域最先进的技术，让自己专注在客户的需求，以及系统整合等两大关键重点。

这种大胆的外包策略，最大的隐忧在于，半导体科技发展快速，每个供应商每一年都有严苛的新任务待达成，万一有人掉队，拖累整个系统的进度怎么办？

「有些（关键）技术我们得自己发展，」ASML总裁暨技术长布令克（Martin van den Brink）说，他是三十一年前ASML从飞利浦独立出来的第一批工程师成员。

例如，两年前台积电公开表示，EUV要商用化，全新光罩的原生缺陷（defect）还必须进一步降低十倍。否则制出晶圆的良率会低到市场难以接受。

图纸并非关键

2002年SMEE成立，是中国政府为了填补光刻机空白而立项。贺荣明去德国考察时，有工程师告诉他：“给你们全套图纸，也做不出来。”贺荣明几年后理解了这句话。

并不是说图纸不重要，贺荣明说，如何将系统的误差分配到子系统，设计有高下之分。但顶级光刻机也需要细节上的技术洁癖。“一根光纤，一行软件编码，一个小动作，如果不兢兢业业做好，整个系统就不优秀。”贺荣明说。

“发展光刻机，需要高素质的人群。所以我们做来做去，做最多的是培养人，改变人。”贺荣明说，这需要他们用五十年一百年的长远眼光去做事情，而不是期望几个月解决问题。

 如今SMEE每年增加数百项专利，活得很好，以中低端市场支持高端研发。而国际巨头仍在前进，发展浸没式光刻机（光在水中波长更短）、磁悬浮驱动（减少工作面震动）、反射镜代替透镜技术、真空腔体的极紫外光学系统。

不找供应商找的是长期伙伴

布令克率领的技术团队，针对这个重大的技术瓶颈，在今年推出革命性的可移动光罩薄膜（removable pellicle）技术，大受业界好评。

「我们只挑选最关键的部份来突破，」布令克得意地笑着。

二0一一年，ASML到台湾林口设立研发中心，并开始甄选台湾供应商。最后共有五家台厂入列，包括半导体设备厂帆宣，以及上银旗下的大银微系统。

帆宣南科厂内，无尘室里头组装中一个个窗型冷气大的机电模组，便是ASML当前主力机种，浸润式微影机台的部件之一。造价不下于一台进口车。

ASML对品质要求极为严苛，帆宣投入研发初期，长达三年时间，只有极少量订单。负责的主管苦不堪言，跑来问总经理林育业，「不要做了好不好？」

但通过考验之后，ASML就当帆宣是「自己人」。其他美国大厂要求代工厂「一颗螺丝钉都不能变」，奉行「开放式创新」的ASML态度截然不同，「他希望你改，还会邀请你参与设计，」林育业说。

林育业接受访问时，虽为能打入「高不可攀」的艾司摩尔供应链沾沾自喜，但他也一再认真地反问记者，「EUV是不是确定能量产？」

这充分反映当前业界的焦虑，不但担心EUV能否克服所有技术障碍，达到量产要求；另一派更担心即使EUV上阵，但高昂的生产、设计成本，会让IC设计厂望之却步。摩尔定律仍旧会因为经济投资报酬率下滑而止步。

面对种种质疑，温彼得依旧信心满满，要大家不要担心，「我们会搞定的！」

专访ASML执行长温彼得

政府角色在为企业制造胚胎

XuS风险创投行于四月造访ASML荷兰总部的一个多月后，回到台湾，在竹科外围一栋办公大楼，专访ASML总裁暨执行长温彼得（Peter Wennink）。以下是专访摘要：

问：之前摩尔定律差一点因经济理由走不去，但后来iPhone出现，推动业界对省电、高效制程的迫切需求，才逆转局势。造价高昂的EUV制程会不会遇到类似困境？

答：我有另一种看法，iPhone能出现，是因为浸润式微影技术（造就的新一代省电处理器、高密度记忆体），这是真的。

人们常问我，「Peter，下一个杀手级应用是什么？」

我都回答：我不知道。但我能确定一件事，当我们持续推动摩尔定律，让晶片性能大幅提升，自然有人会找出用途。世界上有很多聪明人，贾伯斯是其中一个。

现在新一波的浪潮是物联网，没错，物联网所用的感测器不需要太先进的制程。但它们背后的基础建设，更省电的伺服器、云端硬碟非常需要。

问：ASML出自飞利浦。而当年的飞利浦是有名的高度垂直整合，样样自己做。你们为何会走出「开放式创新」的研发模式？

答：只有一个字就是：穷困（poverty）。穷困激发创意。

1984年，我们怀抱着颠覆产业的梦想，从飞利浦独立出来。当时飞利浦经济情况很糟，正执行一个很大规模的裁员计划，没办法给我们经费。

那我们怎么办？我们去找政府争取经费，去找供应商，告诉他们我们的构想，问他们一起做好吗？我们跟你分享利润。我们因此打造一个很大的研发网路。

ASML的供应商不只供应零件，还供应知识。我们还有很多研发伙伴，包括荷兰的大学、欧洲研究机构。例如，我们跟距离不远的比利时校际微电子研究中心（IMEC）关系很密切。他们永远可以用很低的价格，拿到我们最新的机台；我们也可以借此提前了解下一代晶片技术的需求。

问：飞利浦虽然已解体，但却蕴育出ASML。请问荷兰是怎么做到的？可以给面临后PC时代的台湾一些建议吗？

答：长期对研发的持续投入非常重要，这也是我对荷兰政府的建议，因为我认为荷兰政府对于基础研究仍不够重视。

基础研究主要该由政府、企业支持的法人机构进行，它们负责制造源源不绝的「胚胎」，企业承接之后再将之扶养成人。

企业应该与研究机构密切合作，拿到胚胎之后就该专注。为什么ASML这么成功，因为我们专注。

当初飞利浦样样都做，最后解体了。这证明大型企业巨人的时代已经不合时宜了。未来的主流该是企业、研究机构分工的「开放式创新」。

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