為什么最好的光刻機(jī)不是來(lái)自芯片大國(guó)美國(guó)？

要知道為什么最好的光刻機(jī)來(lái)自荷蘭，而不是美國(guó)，得從半導(dǎo)體發(fā)展的三個(gè)歷史階段說(shuō)起。

前言

在20世紀(jì)70年代初，荷蘭飛利浦研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的工程師們制造了一臺(tái)機(jī)器：一臺(tái)試圖像印鈔票一樣合法賺錢的機(jī)器。但他們當(dāng)時(shí)并沒(méi)有意識(shí)到自己創(chuàng)造了一個(gè)“怪物”，這臺(tái)機(jī)器在未來(lái)的20年里除了吞噬金錢沒(méi)有做任何事情。

瑞尼雷吉梅克光刻巨人ASML崛起之路2020-10

第一階段：上世紀(jì)60-70年代 早期光刻機(jī)

在光刻機(jī)的早期階段，美國(guó)是走在世界前面的，那時(shí)候還沒(méi)有ASML。 光刻機(jī)的原理其實(shí)像幻燈機(jī)一樣簡(jiǎn)單，就是把光通過(guò)帶電路圖的掩膜（Mask，后來(lái)也叫光罩）投影到涂有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻，掩膜版是1：1尺寸緊貼在晶圓片上，而那時(shí)晶圓也只有1英寸大小。

因此，光刻那時(shí)并不是高科技，半導(dǎo)體公司通常自己設(shè)計(jì)工裝和工具，比如英特爾開(kāi)始是買16毫米攝像機(jī)鏡頭拆了用。只有GCA、K&S和Kasper等很少幾家公司有做過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)設(shè)備。 60年代末，日本的尼康和佳能開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，畢竟當(dāng)時(shí)的光刻不比照相機(jī)復(fù)雜。

70年代初，光刻機(jī)技術(shù)更多集中在如何保證十個(gè)甚至更多個(gè)掩膜版精準(zhǔn)地套刻在一起。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對(duì)齊機(jī)臺(tái)并領(lǐng)先了幾年，Cobilt公司做出了自動(dòng)生產(chǎn)線，但接觸式機(jī)臺(tái)后來(lái)被接近式機(jī)臺(tái)所淘汰，因?yàn)檠谀ず凸饪棠z多次碰到一起太容易污染了。

1973年，拿到美國(guó)軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統(tǒng)，搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高，因此迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)。

金捷幡光刻機(jī)之戰(zhàn)

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1978年，GCA推出了世界上第一臺(tái)商用步進(jìn)光刻機(jī)DSW4800（direct step to wafer）。該機(jī)器使用g線汞燈和蔡司光學(xué)元件。以10:1的比例將芯片線路成像到10毫米見(jiàn)方區(qū)域。機(jī)器價(jià)格為45萬(wàn)美元。第一臺(tái)機(jī)器以37萬(wàn)美元的價(jià)格賣給了德州儀器的研發(fā)部門。由于剛開(kāi)始DSW4800生產(chǎn)效率相對(duì)不高，Perkin Elmer在后面很長(zhǎng)一段時(shí)間仍處于主導(dǎo)地位。

第二階段：80-90年代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)第一次轉(zhuǎn)移

80年代左右，因?yàn)槊绹?guó)扶植，最開(kāi)始是將一些裝配產(chǎn)業(yè)向日本轉(zhuǎn)移，而日本也抓住了機(jī)會(huì)，在半導(dǎo)體領(lǐng)域趁勢(shì)崛起。

在90年代前后，日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)成為了全球第一，高峰期時(shí)占了全球60%多的份額，出口額全球第一，超過(guò)美國(guó)。

在那個(gè)芯片制程還停留在微米的時(shí)代，能做光刻機(jī)的企業(yè)，少說(shuō)也有數(shù)十家，而尼康憑借著相機(jī)時(shí)代的積累，在那個(gè)日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全面崛起的年代，正是當(dāng)之無(wú)愧的巨頭。 短短幾年，就將昔日光刻機(jī)大國(guó)美國(guó)拉下馬，與舊王者GCA平起平坐，拿下三成市場(chǎng)份額。

而后來(lái)尼康作為九十年代最大的光刻機(jī)巨頭，它的衰落，說(shuō)來(lái)也充滿偶然，始于那一回157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術(shù)之爭(zhēng)。

當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)被卡死在193nm，是擺在全產(chǎn)業(yè)面前的一道難關(guān)。 降低光的波長(zhǎng)，光源出發(fā)是根本方法，但高中學(xué)生都知道，光由真空入水，因?yàn)樗恼凵渎?，光的波長(zhǎng)會(huì)改變——在透鏡和硅片之間加一層水，原有的193nm激光經(jīng)過(guò)折射，不就直接越過(guò)了157nm的天塹，降低到132nm了嗎！

拉下尼康，ASML 是如何一舉稱王的，魔鐵的世界

林本堅(jiān)拿著這項(xiàng)“沉浸式光刻”方案，跑遍美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)，游說(shuō)各家半導(dǎo)體巨頭，但都吃了閉門羹。 當(dāng)時(shí)還是小角色的阿斯麥（1984年飛利浦和一家小公司ASM Internationa以50:50組成的合資公司，最初員工只有31人）決定賭一把，相比之前在傳統(tǒng)干式微影上的投入，押注浸潤(rùn)式技術(shù)更有可能以小博大。 于是和林本堅(jiān)一拍即合，僅用一年時(shí)間，就在2004年就拼全力趕出了第一臺(tái)樣機(jī)，并先后奪下IBM和臺(tái)積電等大客戶的訂單。

第三階段：新千年 ASML的崛起

1997年，英特爾攢起了一個(gè)叫EUV LLC的聯(lián)盟。聯(lián)盟中的名字個(gè)個(gè)如雷貫耳：除了英特爾和牽頭的美國(guó)能源部以外，還有摩托羅拉、AMD、IBM，以及能源部下屬三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室。

這些實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)科技發(fā)展的幕后英雄，之前的研究成果覆蓋物理、化學(xué)、制造業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的各種前沿方向，有核武器、超級(jí)計(jì)算機(jī)、國(guó)家點(diǎn)火裝置，甚至還有二十多種新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素。

資金到位，技術(shù)入場(chǎng)，人才云集，但偏偏聯(lián)盟中的美國(guó)光刻機(jī)企業(yè)SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落，根本爛泥扶不上墻。于是，英特爾力邀ASML和尼康加入EUV LLC。但問(wèn)題在于，這兩家公司，一個(gè)來(lái)自日本，一個(gè)來(lái)自荷蘭，都不是本土企業(yè)。

當(dāng)時(shí)的美國(guó)政府將EUV技術(shù)視為推動(dòng)本國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，并不太希望外國(guó)企業(yè)參與其中，更何況八九十年代在半導(dǎo)體領(lǐng)域壓了美國(guó)風(fēng)頭的日本。

但EUV光刻機(jī)又幾乎逼近物理學(xué)、材料學(xué)以及精密制造的極限。光源功率要求極高，透鏡和反射鏡系統(tǒng)也極致精密，還需要真空環(huán)境，配套的抗蝕劑和防護(hù)膜的良品率也不高。別說(shuō)日本與荷蘭，就算是美國(guó)，想要一己之力自主突破這項(xiàng)技術(shù)，可以說(shuō)比登天還難，畢竟美國(guó)已經(jīng)登月了。

最后，阿斯麥同意在美國(guó)建立一所工廠和一個(gè)研發(fā)中心，以此滿足所有美國(guó)本土的產(chǎn)能需求。另外，還保證55%的零部件均從美國(guó)供應(yīng)商處采購(gòu)，并接受定期審查。所以為什么美國(guó)能禁止荷蘭的光刻機(jī)出口中國(guó)，一切的原因都始于此時(shí)。

U.S.givesoktoASMLonEUVeffort,EETimes

錯(cuò)失EUV的尼康，還未完全失去機(jī)會(huì)，讓它一蹶不振的，是盟友的離開(kāi)。當(dāng)時(shí)的英特爾為了防止核心設(shè)備供應(yīng)商一家獨(dú)大，直到22nm還是一直采購(gòu)ASML和尼康兩家的光刻機(jī)。 但備胎終究是備胎，一轉(zhuǎn)身，英特爾就為了延續(xù)摩爾定律的節(jié)奏，巨資入股阿斯麥，順帶將EUV技術(shù)托付。

另一邊，相比一步步集成了全球制造業(yè)精華的阿斯麥，早年間就習(xí)慣單打獨(dú)斗的尼康在遭遇美國(guó)封鎖后，更是一步步落后，先進(jìn)設(shè)備技術(shù)跟不上且不提，就連落后設(shè)備的制造效率也遲遲提不上來(lái)。而佳能在光刻機(jī)領(lǐng)域一直沒(méi)有爭(zhēng)過(guò)老大，當(dāng)年它的數(shù)碼相機(jī)稱霸世界，利潤(rùn)很好，對(duì)一年銷量只有上百臺(tái)的光刻機(jī)根本不夠重視。

這邊舊人哭，那邊新人笑：2012年，英特爾連同三星和臺(tái)積電，三家企業(yè)共計(jì)投資52.29億歐元，先后入股阿斯麥，以此獲得優(yōu)先供貨權(quán)，結(jié)成緊密的利益共同體。

終于，在2015年，第一臺(tái)可量產(chǎn)的EUV樣機(jī)正式發(fā)布。正所謂機(jī)器一響，黃金萬(wàn)兩，當(dāng)年只要能搶先拿到機(jī)器開(kāi)工，就相當(dāng)于直接開(kāi)動(dòng)了印鈔產(chǎn)線，EUV光刻機(jī)也因此被冠上了“印錢許可證”的名號(hào)。 可以說(shuō)，整個(gè)西方最先進(jìn)的工業(yè)體系，托舉起了如今的阿斯麥。而一代霸主尼康，也自此徹底零落在歷史的塵埃之中。

遠(yuǎn)川科技評(píng)論

https://www.huxiu.com/article/360163.html

結(jié)語(yǔ)

ASML雖然是一家荷蘭公司，但是其背后卻由美國(guó)的資本掌控，同時(shí)很多關(guān)鍵的零部件也來(lái)自美國(guó)。美國(guó)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大，不僅僅在于設(shè)計(jì)，EDA，制造等方面技術(shù)領(lǐng)先，更是掌控著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。而光刻機(jī)，是其中尤為重要的一環(huán)。

另外像ASML這樣的企業(yè)，不在美國(guó)還有一大好處，就是避免了美國(guó)有反壟斷法，這家企業(yè)放在美國(guó)，可能會(huì)被分為2家。容易導(dǎo)致人才和資金的分散，研發(fā)速度下降，甚至惡意競(jìng)爭(zhēng)，最終被其他企業(yè)反超。

縱觀光刻機(jī)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展史，ASML抓住了歷史的機(jī)遇，同時(shí)也是美日半導(dǎo)體博弈中的幸運(yùn)兒，在三家半導(dǎo)體巨頭：英特爾、三星、臺(tái)積電的支持下，成為了半導(dǎo)體行業(yè)的巨人！

編輯：jq