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微影製程戰

 

 

1992年,約翰.卡拉瑟斯(John Carruthers)坐在加州英特爾總部的會議室裡,他沒想到向英特爾的執行長葛洛夫要2億美元竟然那麼容易。身為英特爾研發部門的負責人,卡拉瑟斯很習慣做技術上的豪賭。有些賭注押對了,有些賭注泡湯了,但英特爾工程師押對寶的機率和業界其他人士差不多。到了1992年,英特爾再次成為全球最大的晶片製造商,主要是因為葛洛夫決定把英特爾的營運重心放在個人電腦的微處理器上。這時的英特爾有充裕的現金,也致力讓摩爾定律延續下去。

然而,卡拉瑟斯的要求遠遠超出了一般的研發專案。卡拉瑟斯與業界的所有人都知道,下一代半導體所需的電路愈來愈小,現有的微影成像技術很快就無法產出那麼精密的電路了。微影成像公司正推出使用深紫外光的機台,波長是肉眼看不見的248或193奈米,但不久晶片製造商就會要求更高的微影成像精密度,卡拉瑟斯想鎖定波長為13.5奈米的「極紫外光」(EUV)。波長愈小,可刻在晶片上的細節愈小。只是有個問題:多數人認為極紫外光是不可能量產的。

葛洛夫懷疑地問道:「你的意思是說,你要把錢花在一個我們還不知道是否管用的東西上?」卡拉瑟斯回他:「是的,那叫研究。」葛洛夫轉向仍在英特爾擔任顧問的前執行長摩爾,問道:「摩爾,你會怎麼做?」摩爾問道:「葛洛夫,你還有別的選擇嗎?」答案很明顯:沒有。晶片業非得學習使用更小的波長來做微影成像不可,不然電晶體就無法再繼續縮小,摩爾定律也將停止。那樣的結果將會重創英特爾的事業,對葛洛夫來說也是一大恥辱。於是,他給了卡拉瑟斯2億美元1去開發EUV微影成像技術。最終,英特爾將在研發上投入數十億美元,又額外投資數十億美元在學習如何使用EUV來蝕刻晶片。英特爾從未打算製造自己的EUV設備,但它需要確保至少有一家全球頂尖的微影成像公司可在市場上推出EUV設備,這樣英特爾才有機台可以蝕刻愈來愈小的電路。

自從萊斯羅普在美國的軍事實驗室裡把顯微鏡顛倒過來以來,微影成像技術的未來從未像1990年代時那樣受到質疑。當時的微影成像產業面臨著三大問題:工程、商業、地緣政治。在晶片製造的早期,電晶體很大,微影成像機所用的光波長度幾乎無關緊要。但後來摩爾定律已經進展到,光波長度(幾百奈米,因顏色不同而異)足以影響蝕刻電路的精度。到了1990年代,最先進電晶體的衡量是以幾百奈米(十億分之一米)為衡量單位,但這時大家已經可以想像以後會出現更小的電晶體,精密度小到只有幾十奈米。

研究人員大多認為,生產這種規模的晶片,需要更精確的微影成像機,才能對光阻劑曝光,並在矽片上蝕刻圖案。一些研究人員試圖使用電子束來蝕刻晶片,但電子束微影成像技術的速度永遠不夠快,無法量產。還有一些人是把賭注押在X光或極紫外光上,這兩種光分別與不同的光阻劑發生反應。在微影成像專家齊聚的年度國際會議上,科學家針對哪種技術會勝出展開了辯論。一位與會者描述,那就好像幾個相互競爭的工程師陣營爆發了2「微影製程戰」。

然而,這場戰爭(尋找下一種對矽晶圓曝光最好的光束),只是當時為了微影成像技術的未來而展開的三場競賽之一。第二場爭戰是商業上的:看哪家公司可以製造出下一代的微影成像機。開發新型微影成像設備的巨大成本,導致這個產業日益集中。一家或頂多兩家公司將主導整個市場。在美國,GCA已經破產;由珀金埃爾默衍生出來的微影成像公司矽谷集團(Silicon Valley Group)則遠遠落後市場的領先者Canon與Nikon。美國的晶片製造商成功抵禦了1980年代來自日本的挑戰,但美國的微影設備製造商還是落敗了。

Canon與Nikon唯一真正的競爭對手,是規模較小但正在成長的荷蘭公司ASML。1984年,荷蘭電子公司飛利浦把內部的微影成像部門拆分出去,成立了ASML。那次拆分正好碰到晶片價格暴跌,所以時機抓得很糟(GCA就是被那次價格暴跌拖垮的)。此外,距離荷蘭與比利時邊境不遠的費爾德霍芬(Veldhoven),似乎也不太像世界級的半導體公司可能設址的地方。歐洲雖是主要的晶片生產區,但明顯落後矽谷與日本。

1984年,荷蘭工程師弗里茲.范霍特(Frits van Hout)剛取得物理學的碩士學位就加入ASML,當時公司的員工還問他是真的很想來,3還是別無選擇了。范霍特回憶道,當時ASML除了與飛利浦有關連以外,4「既沒有設施,也沒有錢」,為微影成像設備建造龐大的內部製程根本不可能。所以ASML決定使用從世界各地的供應商精心採購的元件來組裝系統。關鍵元件依賴其他公司有明顯的風險,但ASML學會了管控這些風險。日本的競爭對手試圖自己製造一切,ASML則是採購市場上最好的元件來組裝。當ASML開始專注開發EUV機台時,它把不同來源的元件整合在一起的能力反而成了最大的優勢。

令人意外的是,ASML的第二個優勢竟然是它位於荷蘭的地理位置。1980年代與1990年代,外界認為ASML在日美貿易爭端是中立的。美國公司把它視為取代Nikon與Canon的可靠選項。例如,當美國的DRAM新創公司美光想買微影成像機台時,它是向ASML購買,而不是依賴兩大日本供應商之一,因為那兩大日商都與美光的日本DRAM競爭對手5有深厚的關係。

ASML從飛利浦拆分出來的歷史,也以令人驚訝的方式促成了ASML與台積電的深厚關係。飛利浦曾是台積電創立時的主要投資者,它把製程技術與智慧財產權轉給了台積電這家剛創立的代工廠。這為ASML創造了一個內建市場,因為台積電的晶圓廠就是根據飛利浦的製程設計的。1989年台積電的晶圓廠意外發生大火,那場火災也幫了ASML一把,促使台積電添購了19台新的微影機台,費用由火險理賠承擔。ASML與台積電都是從晶片業邊緣起步的小公司,但他們一起成長,6形成了合作關係。沒有這種合作,今天的運算發展就會停滯不前。

ASML與台積電的合作,成了1990年代的第三場「微影製程戰」。這是一場政治競賽,雖然鮮少業界或政府人士喜歡以那種方式思考。當時,美國正在慶祝冷戰結束並善用和平紅利。從技術、軍事或經濟實力來看,美國都稱霸世界,傲視群雄(不分盟友或對手)。一位有影響力的評論家宣稱,1990年代是7「單極時刻」,美國的主導地位毋庸置疑。波斯灣戰爭更是充分展現出美國驚人的技術與軍力。

1992年葛洛夫準備批准英特爾對EUV微影研究的第一筆重大投資時,很容易理解為什麼連晶片業這個從冷戰時期的軍工複合體中崛起的產業也認為政治不再重要了。那時管理學大師預言,未來將是一個8「無國界的世界」,在那個世界裡,塑造全球商業版圖的是獲利,而不是權力。經濟學家暢談全球化加速,執行長與政界人士都欣然接受這種新的知識潮流。與此同時,英特爾再次成為半導體業的領導者。它擊退了日本競爭對手,如今幾乎壟斷了個人電腦晶片的全球市場。自1986年以來,9英特爾每年都有獲利,那又何必擔心政治呢?

1996年,英特爾與美國能源部經營的幾個實驗室建立了合作夥伴關係,這些實驗室在光學及其他促成EUV技術的領域擁有專業知識。英特爾召集其他六家晶片製造商加入這個聯盟,但英特爾支付大部分的費用。一位參與者回憶道,英特爾在那個聯盟裡有如10「95%的大猩猩」。英特爾知道勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)與桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)的研究人員有製造EUV系統原型的專業,但那些研究人員把焦點放在科學上,而不是量產。

卡拉瑟斯解釋,英特爾的目標是「製造東西,而不僅是測量東西」,因此英特爾開始尋找一家公司來商業化及量產EUV機台。它後來的結論是,找不到任何美國公司可以做到。GCA已不復存在,而美國現有最大的微影成像公司矽谷集團(SVG)則是技術落後。美國政府對1980年代的貿易戰依然很敏感,不想讓Nikon、Canon等日本公司與美國的國家實驗室合作,雖然Nikon本來就認為EUV技術行不通。於是,11ASML成了僅剩的微影成像公司。

讓一家外國公司獲得美國國家實驗室最先進的研究成果,這個想法在華盛頓引發了一些問題。當時EUV技術在軍事上還沒有立即的應用,而且大家也不確定EUV是否可行。然而,如果EUV可行的話,美國將依賴ASML生產一種對所有運算都很關鍵的機台。除了國防部的一些官員以外,華盛頓12幾乎沒有人對此感到擔憂。多數人認為,ASML與荷蘭政府是可靠的合作夥伴。對政治領導人來說,更重要的是這項合作對就業的影響,13而不是地緣政治。美國政府要求ASML在美國設廠,為其微影成像機生產元件,為美國客戶提供產品,也雇用美國員工。然而,ASML的核心研發大多還是留在荷蘭。美國的商務部、國家實驗室,以及相關公司的主要決策者說,他們不記得政府決定放行這項合作案時,14政治考量有發揮多大的效果。

這項EUV合作案雖然拖延了很久,又有鉅額的成本超支,但還是有緩慢的進展。Nikon與Canon因為被排除在美國國家實驗室的研究之外,決定不製造自己的EUV機台,這使得ASML成為世界上唯一的生產商。與此同時, ASML在2001年收購了美國最後一家主要的微影成像公司SVG。SVG已遠遠落後業界的領導者,但還是有人再次質疑這筆交易是否符合美國的安全利益。DARPA與國防部數十年來一直資助微影成像產業,所以在DARPA與國防部內部仍有些官員反對這筆交易。國會也提出擔憂,有三位參議員寫信給小布希總統說:「ASML最終將擁有美國政府15所有的EUV技術。」

這是無可否認的事實,但美國的實力正處於巔峰,華府多數人認為全球化是一件好事。美國政府的主流觀點是,鼓勵俄羅斯或中國等大國專注追求財富,而不是專注於地緣政治力量,可以擴大貿易與供應鏈的連結,促進和平。當時大家認為,宣稱美國的微影成像產業衰落將危及國家安全,就表示你的想法與這個全球化、緊密相連的新時代已經脫節了。與此同時,晶片業只想盡可能以最高的效率生產半導體。在美國已經沒有大型微影成像公司的情況下,他們除了押注在ASML以外,還有什麼選擇?

英特爾和其他的大型晶片製造商認為,把SVG賣給ASML對於開發EUV是很重要的一步,因此也對運算的未來有決定性的影響。英特爾的新任執行長克雷格.巴瑞特(Craig Barrett)在2001年表示:「這兩家公司不合併的話,美國開發新機台的途徑將會延誤。」隨著冷戰結束,剛上任的布希政府希望放鬆對所有商品的技術出口管制,除了有直接軍事用途的商品以外。政府把這項策略描述為「在最敏感的技術周圍築起高牆」,16而EUV並沒有上榜。

因此,下一代EUV微影機台主要是在國外組裝,雖然一些元件會繼續在康乃狄克州的工廠製造。任何人質疑美國如何保證取得EUV機台,都會遭到指責,說他們在全球化的世界中卻依舊固守著冷戰時期的思維。然而,那些談論技術在全球傳播的商業大師,其實曲解了其中的動態。生產EUV的科學網絡遍及全球,彙集了來自美國、日本、斯洛維尼亞、希臘等17不同國家的科學家,但EUV的製造並沒有全球化,而是壟斷的。由一家公司管理的單一供應鏈,將一手掌控微影成像技術的未來。