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2022年9月9日

黃伯農

突破光刻技術瓶頸 未來R&D領導關鍵

2020年美國政府要求荷蘭半導體製造設備生產商艾斯摩爾(ASML)停止向中國廠商出售「極紫外光微影光刻技術」(extreme ultraviolet photolithography;EUV)儀器。今年7月,美方再要求艾斯摩爾停售較舊式的「深層紫外光微影光刻技術」(deep ultraviolet photolithography;DUV)儀器予中國。因為半導體技術已被界定為能通往5G、人工智能、自動化系統、綠色科技、量子計算和生物科技等新興技術的「指揮性技術」(command technology),中國能否突破光刻技術瓶頸,成為北京攻克科技地緣圍堵的關鍵課題。本文梳理研發光刻技術的歷史,推敲中國將如何突破光刻技術被美國「卡脖子」的領導方略。

異質性R&D網絡的冒起

過去20年,台灣、南韓、德國和英國學術界均興起一批關注「晶圓代工」或「晶圓製造」業「技術路線圖」(technology roadmap)的研究。因為晶圓製造是直接製造半導體的主體工業,它們便必須掌握光刻機技術才能佔據半導體供應鏈的最頂層位置。然而,光刻技術的「研究及發展」(R&D)耗費龐大,全球最尖端晶圓代工廠商如英特爾(Intel)、三星(Samsung)和台積電(TSMC)等都曾聯合注資,才可分享技術研發成果。我們便有需要去理清這種「R&D聯營會社」(R&D Consortium)的發展歷史和組織形態,才能掌握光刻技術瓶頸的性質。

繼2004年台灣學者確立「制度」及其創新對台積電的R&D發展至關重要之後,德國學者在2012年提出,除了企業制度內需要「分層性網絡」(hierarchical network)去使R&D法令能被各部門和員工有效執行之外,光刻技術R&D的耗資龐大便意味着企業間需要組成「異質性網絡」(heterarchical network)去共同注資、分擔風險和分享成果。

什麼是異質性網絡?作為一種跨企業、跨科層組織和跨國R&D網絡,異質性網絡與分層性網絡存在差異【表1】。作為一種組織領導方法,異質性網絡領導側重去中心化、分享權力、尋求共識、和能彈性且具耐性地協調多個決策中心之間的活動,可謂「能屈能伸、兼容並蓄」,雖不「強人所難」,但「有求必應」。

1987年,美國國防部與14間當地半導體製造商決定成立非牟利R&D聯營會社──「半導體製造科技」(Semiconductor Manufacturing Technology;SEMATECH)。面對來自日本半導體業的激烈競爭,SEMATECH成立目的是提高美國半導體業的競爭力。英特爾便成為推動SEMATECH的主要晶圓代工廠商;目標是推進與半導體製造核心技術有關的物料、處理和儀器的R&D,包括最先進的EUV技術、光刻膠(photoresist)和空白光罩(photomask blank)。作為異質性R&D網絡,SEMATECH給予會員投票決定權。1990年代初,SEMATECH會員共識定立1.4億美元的預算案,目的是使美國半導體業重奪世界領導地位。

1996年,隨着美日貿易戰結束和美日半導體協議的簽訂,美國半導體業已重奪世界領導地位,美國政府對SEMATECH的財政支持也停止。1990年代末,SEMATECH便容許外國企業加盟,以收取會員費作營運方略。有共13家來自美國、西歐和東亞的半導體廠商加盟,另有一家國家研究所加入。1999年,艾斯摩爾正式加盟SEMATECH。

因為美日貿易戰,日本半導體企業沒有加入以美國企業為首的SEMATECH。選擇另起異質性R&D網絡爐灶去填補EUV技術空缺,讓尼康(Nikon)和佳能(Canon)研發EUV技術和製造系統。2002年,日本政府成立「極紫外光刻系統開發協會」(Extreme Ultraviolet Lithography System Development Association;EUVA)。

艾斯摩爾取代英特爾

2003年,全球光刻儀器市場便由艾斯摩爾(43.4%)、尼康(33.6%)和佳能(22.8%)三家非美國企業瓜分。2011年,為保持日本在光刻技術的世界地位,11家日本企業與日本政府聯合成立新R&D聯營會社──「極紫外光刻基礎建設發展中心」(EUVL Infrastructure Development Centre)。

英特爾雖不是SEMATECH的最大財政貢獻者,因為她推動EUV技術路線發展,逐漸取代了推動「電子束微影光刻」(electron-beam lithography)技術路線的IBM的領導地位。1991年,英特爾連同7家美國半導體廠商與3家美國國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory、Sandia National Laboratory和Lawrence Berkeley National Laboratory)簽訂一份推動EUV技術的R&D協議,以進行可行性研究。該研究由美國政府能源部和8家美國企業共同斥資。1996年,能源部決定停止資助。1997年,英特爾便和AMD、摩托羅拉(Motorola)及3家美國國家實驗室繼續用私營資金推動EUV技術R&D,組成「EUV LLC聯營會社」(EUV LLC Consortium),後來因為成功而被SEMATECH吸納。

2003年,隨着SEMATECH和美國紐約州立大學奧本尼分校(SUNY-Albany)成立了專門研發EUV技術的R&D項目,並設立「納米科學及工程學院」(College of Nanoscale Science and Engineering),英特爾在SEMATECH的領導地位愈趨集中化。

然而,後來英特爾在EUV技術R&D的領導地位也漸被艾斯摩爾取代。2012年,三星和台積電也積極投資研發EUV技術。同年7月,三星和台積電夥同英特爾共同投資艾斯摩爾光刻製造系統。艾斯摩爾向英特爾、台積電和三星提供共25%的股權,來換取他們共約47.6億美元銷售額和16.9億美元的R&D投資額【表2】。自此EUV技術R&D平台正式轉到艾斯摩爾手上,英特爾則繼續為該國的海外投資者和股東之一。

中國宜建新聯營會社

積極尋求突破光刻技術瓶頸的北京,須考慮到現時全球光刻技術被個別國家地區控制。強行擠進這個壟斷陣營不單事倍功半,長遠亦缺乏可持續性。中國或採取以下方略:

一、透過「一帶一路」倡議的跨國金融和經貿機構,建構一個新型異質性網絡R&D聯營會社,共同投資新一代光刻技術的研發和分享,為其他半導體較落後的國家提供R&D平台,進行多個中心「技術趕超」(technological catch-up)。

二、同時讓美國、日本、南韓、台灣和歐洲等領先半導體製造廠和光刻儀器廠商參加,集腋成裘壯大R&D助力,創建新一代晶圓相互依存命運共同體,透過實驗未來光刻技術多中心化和共識化,讓中國成為未來光刻技術的R&D集中領導者。

英國巴斯大學政治、語言及國際研究學系副教授

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