ASML ультрафіолетовий гетьман

 

Сьогодні основою економіки є мікрочіпи. Майже у всіх електронних пристроях присутній принаймні один напівпровідниковий чип: від автомобілів і мобільних телефонів до пральних машин і літаків. Більша частина світового ВВП виробляється пристроями, що використовують напівпровідники. Через свою повсюдну поширеність і корисність вони також є стратегічно важливими: США і Китай прагнуть контролювати поставки та отримати перевагу одного над іншим.

Існує кілька основних компаній-виробників мікрочипів. Є Samsung у Південній Кореї, TSMC на Тайвані, Huawei у Китаї, а також Intel і Texas Instruments у США. Усі вони виробляють чіпи на власних фабриках. Але машини, які вони використовують для виробництва, виробляє переважно одна компанія - голландська Advanced Semiconductor Materials Lithography (ASML).

Технологія, яка уможливлює виробництво всіх передових чіпів, називається літографією в крайньому ультрафіолеті (EUV). Одна EUV-машина коштує понад 350 мільонів доларів.

Вона спирається на ланцюжок поставок, що складається з більш ніж 800 інших компаній, на доставку сотень тисяч деталей з усього світу. Багато з цих компаній існують тільки завдяки одному клієнту - ASML.

Складність як технології, так і ланцюжка поставок дає ASML сильну конкурентну перевагу. Час і витрати, які будуть потрібні конкуренту для відтворення всього процесу виготовлення однієї машини EUV-літографії, створюють дуже високі бар'єри для входу. Протягом багатьох років ASML позиціонувала себе як практично єдиного постачальника цієї передової технології, яка зробила революцію в масовому виробництві чіпів. І тому протягом наступних кількох десятиліть ASML збереже свою монополію.


Незалежно від того, чи говоримо ми про TSMC, NVIDIA, Intel, AMD або будь-якого іншого технологічного гіганта, який виготовляє власні кремнієві чіпи, вони дотримуються одного й того самого алгоритму. Усі ці виробники чипів використовують великий лист кремнію, званий пластиною, який виготовляють із використанням особливого виду піску. Ці пластини нарізають тонкими шарами на дрібні шматки, які потім упаковують і програмують відповідно до сценаріїв використання.

Технологія, яку використовують для нарізки пластини на шматки/фрамени, називається ультрафіолетовою літографією. Існують різні види літографії, які різняться тим, наскільки дрібно або тонко нарізається пластина. Роздільна здатність (у мкм і нм) цього обладнання (так звані проєктні норми) і визначає назву застосовуваного конкретного технологічного процесу.

Що тоншими виявляться шматочки пластини, які зможе вирізати виробник мікросхем, то швидшим і ефективнішим буде процесор. Ось чому виробники мікросхем завжди намагаються розробити простіший і точніший процес виготовлення чипів.

Існує технологія розрізання пластин, яка називається літографією глибокого ультрафіолету або DUV, але це старіший і менш ефективний спосіб, ніж EUV. ASML має тут деяку конкуренцію з боку таких компаній, як Canon і Nikon, але навіть у таких умовах займає понад 60% ринку. Конкуренти все ще використовують старий процес літографії DUV, тоді як ASML продає більш ефективний EUV і наразі вже розробляє процес High-NA-EUV. Він дасть змогу виробникам мікросхем виробляти 2-нм процесори, що стане важливою віхою у виробництві чипів.

Хоча DUV є застарілою і малоефективною методологією порівняно з EUV, вона, як і раніше, настільки складна, що китайці досі не можуть провести реверс-інжиніринг належним чином. І тим більше малоймовірно, що вони зможуть відтворити технологію EUV найближчим часом, навіть якщо їм якимось чином вдасться роздобути одну з машин ASML.

Усі основні виробники чипів, включно з Intel, NVIDIA і TSMC, змушені купувати ці машини ASML, тому що у них просто немає вибору. Тайванська TSMC має особливу угоду з ASML, оскільки вони купували їхнє обладнання задовго до Intel, Samsung та інших великих виробників мікросхем. Через це TSMC і компанії, що використовували їхні чіпи, мають невелику перевагу перед конкурентами.

EUV-літографія ASML гідна звання найскладнішої машини у світі. Кожен пристрій містить понад 100 000 компонентів, отриманих від спеціалізованих постачальників. Практично кожен етап роботи машини містить технологічні процеси, які для непрофесіонала не відрізняються від чарівництва.

Ці невідтворювані чудеса інженерної думки є результатом десятиліть спроб і помилок, наукових проривів, заплутаних ланцюжків поставок і мільярдів доларів. Вони неповторні й тому настільки цінні. Без технології EUV було б неможливим виробництво найпотужніших кремнієвих чипів у світі - тих самих, які сприяють нинішньому буму штучного інтелекту. Коротше кажучи, траєкторія розвитку обчислювальної техніки зосереджена в руках компанії практично зі 100% монополією на певний вид технології.

Але ASML виробляє тільки 15% компонентів машин EUV самостійно. Секрет фірми полягає в її здатності координувати великі ланцюжки поставок виробників і об'єднувати їхню продукцію в єдине ціле. У деяких випадках ASML безпосередньо купує своїх постачальників, що дає йому більший контроль над ланцюжком поставок.

Люди бачать лише малу частину електромагнітного спектра - від 400 до 700 нм. Крихітна смужка відповідає за всі кольори нашого життя. По обидва боки цієї смужки знаходяться великі зони, недоступні нашому сприйняттю. Існує внутрішня область довгих хвиль за видимим червоним, що складається з інфрачервоного випромінювання, мікрохвиль і радіо. Інший бік займає короткохвильове випромінювання. Після фіолетового йдуть ультрафіолет, рентгенівські промені та гамма-промені.

І головною причиною нинішнього домінування ASML є те, що він, по суті, повелитель ультрафіолету.

Історично склалося так, що для створення візерунків на чипах використовували видимий спектр випромінювання. Довжини хвиль від 400 до 700 нанометрів було достатньо для виготовлення транзисторів із затворами понад 1000 нанометрів протягом більшої частини 1980-х років. Однак у міру того, як індустрія прагнула втиснути дедалі більше і більше транзисторів в один чип, збільшуючи їхню потужність, фотолітографи зіткнулися з фундаментальним обмеженням: видиме світло вже не справлялося.

Для створення "субмікронних" транзисторів - розміром менше ніж 1000 нанометрів - потрібен був більш "тонкий" і "гострий" інструмент. До 1990-х років Nikon, Canon і ASML вийшли за межі видимої області і перейшли на територію "глибокого ультрафіолету" (DUV), довжина хвилі якого становила лише 193 нанометри. З огляду на дію закону Мура, виробники розуміли, що незабаром DUV теж стане недостатньо сильним.

Так почався рух у зовнішні безплідні землі електромагнітного спектра. На межі ультрафіолету і рентгенівських променів знаходиться тонка територія "крайнього ультрафіолету" з довжиною хвилі лише 13,5 нанометрів. EUV приблизно в 14 разів "гостріше", ніж DUV, і в 30 разів, ніж видиме світло. Різниця між видимим спектром, DUV, EUV це як різниця між лініями, намальованими товстим маркером, яскравим ролером або тонким олівцем.

Робота над EUV зайняла більшу частину 2000-х і 2010-х років. Хоча Nikon і Canon також вклали кошти в комерціалізацію цієї технології, повною мірою це вдалося тільки ASML.

EUV не зустрічається на нашій планеті в природному середовищі, а це означало, що доведеться його створити. Один зі способів отримати це - перетворити олово на гарячу плазму. У цьому стані плазма випромінює EUV-світло.

Перетворити олово на плазму не так-то просто, потрібно підняти його температуру до 500 000 градусів за Цельсієм. Навіть у такому стані зібрати достатньо EUV-світла для фотолітографії складно. ASML використовує прецизійний лазер, розроблений спільно зі спеціалізованим постачальником Trumpf.

Trumpf знадобилося десятиліття і значні витрати, щоб створити відповідний лазер для ASML. Лазер має бути не тільки надзвичайно потужним, він має бути швидким і точним, здатним вразити крихітну олов'яну кульку, що рухається у вакуумі зі швидкістю 300 км/год. Усередині машини EUV щосекунди через камеру в її основі падає 50 000 крапель розплавленого олова. Пара лазерів вражає кожну краплю, створюючи плазму, яка, своєю чергою, випромінює світло потрібної довжини хвилі.

Створення EUV недостатньо; також необхідно зрозуміти, як ним керувати. Це особливо складно, оскільки EUV поглинається практично всім. Тому всередині машин ASML працює "високий вакуум", призначений для збереження цих випромінювань.

Хоча "високий вакуум" не дозволяє втратити створений EUV, це не допомагає керувати ним. Щоб вирішити цю проблему, ASML звернулася до Zeiss Group, виробника "оптичних систем" - від окулярів до мікроскопів. Спираючись на інвестиції ASML в 1 мільярд доларів у 2016 році, компанія Zeiss створила "найгладкіший об'єкт, коли-небудь створений у світі" - дзеркало, що складається зі 100 шарів кремнію і молібдену - кожен завтовшки всього кілька нанометрів. Дюжина таких дзеркал відшліфовані так, що якщо масштабувати одне з них до розмірів Німеччини, найбільші дефекти дзеркала становитимуть лише десяту частку міліметра.

Машини ASML використовують кілька дзеркал Zeiss, призначених для направлення EUV-світла на кремнієву пластину. Складне програмне забезпечення та інші важливі компоненти гарантують, що світло, яке потрапляє на кремній, проходитиме за правильною схемою, а це ще один складний процес. Машини ASML можуть позиціонувати кожну пластину з точністю до чверті нанометра, а за одну секунду виконується до 20 000 мікроскопічних коригувань і перевірок. Якщо на диск потрапить хоча б одна порошинка, вся партія, на обробку якої йдуть місяці, може бути зіпсована. А на складання і доставку однієї установки для роботи з EUV може піти рік.

Коротше кажучи, машина схожа на надточного робота, який малює картини в нм масштабі. Картини являють собою ескізи мікрочіпів, які такі компанії, як TSMC, виробляють для своїх клієнтів. За допомогою свого програмного забезпечення інженери TSMC вказують машині, який тип індивідуальних схем їм потрібен, щоб задовольнити потреби великих споживачів своєї продукції: Apple і Tesla.

Коли інженер запускає машину, понад мільйон рядків коду обробляють команди і переводять їх в електричні сигнали, які запускають випромінювання EUV-світла всередині системи. EUV-світло відправляється на сканер для вирівнювання, щоб воно проектувалося на пластину і друкувало потрібну схему. Це одне з найскладніших завдань, які коли-небудь придумувалися людством.

З огляду на складність машин EUV ASML, не дивно, що їх експлуатація вимагає значного досвіду. У деяких випадках потрібен ступінь доктора технічних наук, а також інтенсивна експлуатаційна підготовка. Технічні фахівці ASML зазвичай супроводжують машини до місця призначення - транзит, у якому беруть участь 20 вантажівок, 40 вантажних контейнерів, а також три літаки Боїнг 747. Технік залишається на місці протягом усього терміну служби машини, усуваючи проблеми і налаштовуючи продуктивність. Минулого року компанія поставила всього 400 машин із 50 моделей із найвищими технічними характеристиками.

Компанія ASML була заснована в Ейндховені 1984 року в результаті спільного підприємства компанії Philips, що виробляє електроніку, і компанії Advanced Semiconductor Materials International (ASMI), виробника чіп-машин.

Протягом року ASML випустила свою першу машину, спираючись на дослідження ще 1970-х років. У 1986 році дебютувала наступна ітерація. Незважаючи на свою продуктивність, підрозділ зазнавав фінансових труднощів, вимагаючи частих вливань капіталу. Ці інвестиції ставали дедалі важливішими в міру того, як ASML розширювала свою присутність, впроваджуючись у США і встановлюючи зв'язки на Тайвані.

До 1995 року фірма мала досить міцну основу для IPO, розмістивши акції на фондових біржах Амстердама і Нью-Йорка. Це дало змогу корпорації залучити капітал для стимулювання зростання та інвестицій у дослідження і розробки. У наступні роки Philips повністю продасть свою частку, що зробить ASML по-справжньому незалежною організацією.
Хоча IPO ASML було ознакою легітимності компанії, воно відставало від лідерів ринку. У 1995 році Nikon і Canon володіли 66% ринку порівняно з часткою голландської компанії в 18%. Мало хто очікував, що ASML обжене дві великі літографії.

2000-ті роки стали золотим віком для ASML, оскільки вони розробили свої машини TWINSCAN, які давали змогу експонувати одну пластину, а також вимірювати та вирівнювати наступну. Це стало важливою віхою в технологічній зрілості ASML, оскільки забезпечило підвищення продуктивності, яке було неможливим до розробки машин TWINSCAN. Наприкінці 2000-х років були зроблені більш просунуті технологічні удосконалення завдяки більш точному лазеру.

У 2010 році компанія поставила першу систему EUV (NXE:3100), в якій для малювання та проєктування використовувалася коротша довжина хвилі. Це означало ще одне зростання продуктивності, оскільки можна було виробляти чіпи меншого розміру.

До 2020 року ASML перейшла на великосерійне виробництво. Станом на лютий 2023 року дохід компанії досяг 235,4 мільярда євро, що зробило ASML найдорожчою європейською компанією за ринковою капіталізацією.

Зростання та успіх ASML є наслідком операційної переваги, стратегічних переваг, технологічних інновацій та деякої удачі. Історія ASML настільки багата подіями, що голландський журналіст Рене Рааймейкерс написав книжку ASML's Architects об'ємом понад 600 сторінок тільки про період між 1960-ми і серединою 1990-х років.

Хоча Нідерланди і далекі від технологічного розвитку Кремнієвої долини, Пекіна або Токіо, країна, тим не менш, виявилася стратегічно важливим місцем для ASML. У битві за перевагу в галузі чіпів між США і Японією в 1980-х і 1990-х роках, а також між США і Китаєм сьогодні, Нідерланди стали золотою серединою.

За інших рівних умов американські компанії воліли б передати свій літографічний бізнес вітчизняним компаніям. Однак у 1980-х роках американські компанії GCA і Perkin-Elmer, поступилися своїм контролем над ринком Nikon і Canon. У результаті американські фірми постали перед вибором між фінансуванням азіатських гігантів, які безпосередньо конкурували з ними, або європейського ноунейма. Як і слід було очікувати, американці обрали "європейця". Особливе значення мала компанія Micron, виробник мікросхем пам'яті "DRAM". У 1987 році Micron була останньою американською фірмою, що встояла на ринку, яка співпрацювала з ASML.

Дослідження ASML, отримані від лабораторій США, були навіть ціннішими, ніж доходи, отримані від американських фірм. У 1990-х роках Intel інвестувала значні кошти в дослідження EUV, субсидуючи національні лабораторії. Результати, отримані в Ліверморській і Сандійській лабораторіях, зрештою були передані ASML після того, як Intel зрозуміла, що жодна американська фірма не може ефективно комерціалізувати ці відкриття. Nikon і Canon не змогли отримати ці знання, що фактично позбавило їх можливості брати участь в EUV-революції. Сучасна технологія EUV заснована на відкриттях, зроблених в Америці, але вдосконалених у Європі.

ASML отримала вигоду зі стосунків не тільки з американськими клієнтами і дослідниками. Також важливим був зв'язок із Philips і ASM International. Як уже зазначалося, ці фірми надали капітал, таланти і дослідження, щоб допомогти новій компанії зрушити з мертвої точки.

Розмір і вплив Philips принесли й інші вигоди. Коли 1986 року Тайвань запустив нову ініціативу в галузі напівпровідників, голландська компанія погодилася інвестувати 58 мільйонів доларів, ставши першим зовнішнім акціонером TSMC. Що особливо важливо, голландська фірма погодилася стати клієнтом ливарного заводу і поділитися своїм досвідом. У своїй хроніці ASML Рааймейкерс зазначає, що Philips проводила тренінги для співробітників TSMC, спрямовуючи свою діяльність у такий спосіб, щоб вона могла перенести виробництво в новий ливарний завод. Коли прийшов час купувати літографічні машини, ASML ідеально підійшла, враховуючи спадщину Philips і те, наскільки акуратно вона синхронізувалася з TSMC.

Компанії вартістю в триста мільярдів доларів не виникають просто так. Хоча ASML отримувала вигоду зі свого нейтрального місця розташування, зовнішнього IPO і стратегічних зв'язків, її успіх багато в чому був досягнутий нею самою. Зокрема, завдяки тому, що компанія освоїла складний ланцюжок поставок.

Незважаючи на правильні зв'язки, ASML почала свою діяльність як організація з обмеженими ресурсами, особливо в контексті ширшого ринку напівпровідників. Практично кожен етап процесу виробництва чипів вимагає надзвичайно великих капіталовкладень. Літографія - не виняток.

Через брак капіталу ASML усвідомила, що не зможе створити конкурентоспроможну літографічну машину з нуля. Кожен компонент неймовірно складний і вимагає досвіду та інвестицій. Замість цього вона вирішила покластися на кількох сторонніх постачальників, включно з Zeiss Group, Trumpf, Cymer і багатьох інших.

ASML робить все можливе, щоб захистити свій ланцюжок поставок, інвестуючи в ключових постачальників, як це було зроблено, надавши Zeiss 1 мільярд доларів. У тих випадках, коли ASML турбується про надійність певного постачальника, вона робить кроки щодо його прямого придбання. Протягом багатьох років ASML робила саме це з такими компаніями, як Cymer, Hermes Microvision, Brion Technologies, яких вона купила для спрощення контролю над процесами.

Напівпровідникова промисловість перебуває у стані постійних змін, на яку впливають комерційні, політичні та технологічні вітри. І три фактори визначатимуть долю ASML наступне десятиліття: Революція ШІ, Напруженість між США та Китаєм, Дотримання закону Мура.
Отже, що ж буде після EUV? ASML вкладає значні кошти, щоб відповісти на це питання. У 2021 році компанія спрямувала 2,5 мільярда євро на дослідження та розробки, а наступного року збільшила інвестиції до 3,3 мільярда євро. Попри свою складність, нинішні машини EUV вважаються "базою". Очікується, що в найближчі три роки ASML представить машини EUV з "високою числовою апертурою", які зможуть забезпечувати ще більшу точність.

Людський капітал для бізнесу ASML також життєво важливий. Наочно демонструє це той факт, що компанія нещодавно оголосила про свій намір інвестувати "кілька сотень мільйонів євро" в будівництво дослідницького інституту в партнерстві з Ейндховенським технічним університетом. Центр надаватиме підтримку 500 дослідникам, які займаються фотолітографією, мехатронікою, штучним інтелектом і фізикою плазми. Інвестиції ASML також фінансуватимуть 40 нових аспірантів на рік. Це спроба забезпечити компанії доступ до постійного припливу висококваліфікованих талантів.

У рамках своєї спроби відновити себе як домінуючу силу у виробництві мікросхем Intel планує інвестувати 95 мільярдів доларів у велику фабрику в Європі. Компанія уклала угоду з ASML, щоб спочатку отримати в свої руки машини EUV з великим числом пристроїв, сподіваючись створити 2-нанометрові чіпи - різке скорочення порівняно з 7-нанометровими чіпами, які використовуються в багатьох смартфонах. Кілька інших зацікавлених сторін, як-от TSMC, інвестують у просування технології 1- нанометрових чипів. У не настільки віддаленому майбутньому чипи можуть стати настільки маленькими, що нам знадобиться нова одиниця виміру. І жодна компанія не зможе зіграти важливішу роль у подоланні цього порога, ніж ASML. Єдина компанія, здатна зробити світло ще більш тонким. https://is.gd/AXj9TH