光刻机发展的启示：没有永远的“巨人”

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近年来，随着人们对芯片制造领域关注的加深，光刻机也从不为人知的先进制造设备成为众人关注的对象。

你知道光刻机是如何诞生的吗？光刻巨头的发展经历了哪些坎坷？这对中国企业有何影响？

光刻技术的诞生

在光刻技术出现之前，复杂的人类计算可以由电子计算机“完成”。然而，当时计算机的计算能力非常有限。他们通常使用真空管作为计算单位。真空管的开口编号为1，关闭编号为0。此类装置如灯泡，经常会燃烧并吸引昆虫。

1946年，美国研制出了当时最先进的计算机ENIAC，其中包含18000个真空管“开关”。然而，平均每两天就会发生一次故障，此时计算机停止工作，需要人员在 18,000 个真空管中找出故障源。

计算机“埃尼亚克”

因此，研究人员开始研究更小、更快、更高效的“开关”。

美国贝尔实验室的物理学家威廉·肖克利意识到，更好的“开关”需要一种更新的材料——半导体。当添加其他材料或施加电场时，诸如硅或锗之类的半导体材料可以被改性。它可以起到“阀门”的作用。这个理论后来被证实，新的“晶体管”“开关”诞生了。

尽管晶体管很快取代了真空管成为计算机的主要部件，但数千个晶体管的接线仍然很复杂。直到1958年，工程师基尔比在同一块硅或锗板上建造了几个“晶体管”，组成了“集成电路”，其性能才得到了很大的提高。而集成电路还有一个名字——芯片。

但晶体管小型化很快又成为一个问题。

事实上，早在1955年，贝尔实验室就开始尝试利用光刻技术在硅晶圆上生产更复杂的电路。

贝尔实验室位于美国新泽西州

当时，“光刻”一词还不存在，这种技术被称为“照相雕刻”或“蚀刻”。这主要是因为光刻的原理与相机类似。然而，用相机拍摄的照片打印在底片上，而光刻技术“雕刻”的不是照片，而是电路图和其他电子元件。

1958年，美国物理学家杰伊·拉斯罗普（Jay Lathrop）和他的助理化学家詹姆斯·奈尔（James Nair）从通过倒置显微镜来缩小图像中获得了微观灵感，并利用这一原理创造了微小的物体。在桌面上“打印”复杂的图像。于是，“光刻”技术开始应用于半导体制造。

巨头的成长之路

此后一段时间，美国成为光刻机行业的领头羊。

20世纪60年代，美国GCA公司生产出第一台接触式光刻机，成为当时的主流产品。

目前，随着半导体使用领域的扩大，光刻机的市场需求不断增长。 GCA的供应链日本尼康和佳能也开始了光刻机的研发。

荷兰飞利浦旗下的一家小公司Natlab也认识到了这个机会，并迅速启动了制造光刻机的计划。它是光刻机巨头ASML的前身。

1967年，Natlab开发出原型光刻机。得益于精密技术和设备的优势，Natlab的光刻机在精度上表现优于其他机器，实现了10厘米的位置移动，位移偏差仅为0.1微米。

不过，这项技术当时并未受到广泛关注。相反，其他层出不穷的技术问题阻碍了光刻机的大规模生产。

直到20世纪80年代初，美国仍然保持着光刻机生产的优势。 1981年，GCA光刻机销售额为1.1亿美元，三年内增长了近10倍。

日本的努力也取得了丰硕成果。尼康于1980年推出了第一台步进光刻机。这种高性能光刻机更加稳定和自动化，并迅速占领了市场。

与此同时，Natlab因为赚不到钱而差点被卖掉。

这时，荷兰本土芯片设备制造商ASML（先进半导体材料公司）挺身而出。除了光刻机外，该公司还生产与芯片制造相关的所有设备。当光刻机融入产业链后，效率大幅提升。于是1984年ASML正式成立。

ASML首任CEO贾蒂上任后，通过严格控制工作流程、打通供应链，解决了光刻机的量产问题。同时他还发现，产业升级推动了新一代光刻机对细节定位的精度要求提高，ASML的技术优势终于开始显现。

此后，ASML依靠持续的研发资金投入、持续解决供应链问题、开拓市场，光刻机销量逐渐好转。 1987年，ASML受益于与台积电的合作。到1989年，它的全球市场份额已达到15%。

1991年，ASML率先采用模块化设计和并行开发，不仅大大提高了光刻机的生产效率，而且可以让客户随意选择不同的部件，大大提高了生产灵活性。

到20世纪末，ASML唯一的竞争对手是尼康。

成功的秘诀

20世纪90年代，在制造更小的晶体管时，光源的波长成为光刻机竞争的中心。当时，尼康等公司主张延续上一代技术，走稳健的道路，而台积电的林本健则提出了利用水改变光的折射率的“浸没式光刻”解决方案。

林本健游说美国、日本、德国几家半导体巨头无果后，便与ASML一拍即合。 ASML在一年内迅速生产出原型机，并因此获得了大量订单。到2004年，ASML和台积电联合研发的“浸没式”光刻机诞生了。今年，ASML发起反击。

然而，“浸没式”光刻机仍然不足以实现芯片最精密的加工。目前，光刻机需要较短波长和极紫外光的光源。 ASML 多年的技术投资刚刚获得回报。

早在1990年，美国就集结了国家实验室、大学、企业等50多个实体，启动极紫外光源的研发。但由于技术难度高、研发周期长，能够持续投入时间和资金的只有ASML。

最后，2006年，ASML生产出了更先进的EUV（极紫外光）光刻设备，进一步提高了芯片性能。 EUV光刻机是用于制造手机、电脑和各种计算设备等关键芯片的工具。

在洁净室工作的工程师 ASML 官网

事实上，ASML原本是一家小公司。其核心竞争力在于将发明、设计和生产的各个环节汇聚在一起，不断迭代一个高度复杂的系统。

为此，公司信息的密度必须足够高。荷兰高科技研究所所长雷吉·梅克认为，ASML是一家知识密集型公司。他们非常擅长系统集成信息。该公司也是一个可以接收许多新发明的实验室。

二是各领域持续投入。尽管ASML会继续从众多供应商那里采购关键零部件，但这并不妨碍其为研究人员提供充足的研究经费和时间来研究相应的零部件。这样，企业在面对产业更新和技术挑战时，就能尽快得到解决方案。

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