“杀死”光刻机全球第一，比造一台光刻机容易多了（万字长文） （上）

最近几天，从海外传来了一则坏消息。

荷兰、日本和美国达成了新的协议，要向中国限制出口先进芯片制造设备，说白了，就是光刻机。

拜登甚至亲自会见日本、荷兰领导人，讨论了相关措施。

而就在短短半个月前，事情还不是这样。1月15日，荷兰外贸与发展合作大臣施赖纳马赫尔表示，荷兰不会草率接受美国对向中国出口芯片制造技术实施的新限制。

现在比起几年前，情况可能对我们更不利了。

1月30日，中国外交部长秦刚同荷兰副首相兼外交大臣胡克斯特拉通电话，就双边关系等问题深入交换了意见。

继去年的《芯片法案》之后，美国变本加厉，鼓动其盟友一起限制中国半导体产业的发展。

这次将被卷入其中的企业包括阿斯麦（ASML）、尼康、东京电子等。

虽然这份协议的详细内容尚未公布，但根据业内人士了解，禁售范围可能涉及EUV光刻机和最新一代DUV光刻机，而普通DUV大概率不在禁售名单。

也就是说，我们要被卡脖子的是最先进制程（比如5纳米、7纳米）的光刻机。

因为荷兰和日本企业垄断了全球高端光刻机市场。

从华为、中兴事件至今，过去5年（是的已经5年了），很多人谈到光刻机，都是群情激昂，然后一声叹息。

这家叫阿斯麦的荷兰企业，垄断了全世界最先进制程芯片的全部EUV光刻机市场，也就是高端里的高端。

很多人旗舰机里的5纳米、4纳米制程芯片，只能用阿斯麦的EUV（极紫外）光刻机来做，连日本人也做不了。

有人说EUV光刻机就是“工业皇冠上的明珠”。

一台先进制程光刻机，可以卖到3~4亿美金，比一架波音飞机都贵。

它的重量可以达到180吨，零件超过45万个。

运输一台光刻机，需要使用40多个恒温恒湿专用箱、专业防震气垫车来运输，以及4架次的波音747货机。

虽然这样的产品已经登峰造极，但是阿斯麦这家公司一点也不高大上，当我看完它的故事以后，我反而对我们更有信心。

今天我们先不讨论中国光刻机研发的进度，我们来看看荷兰人当年到底是怎么做成的。

阿斯麦不该是一家被捧上神坛的企业。

相反，阿斯麦的成长过程更像是一部创业爽剧：

一家濒临倒闭的创业公司，是怎么从一个草台班子开始，九死一生，打败所有巨人，然后登顶的故事。

我们前几年看到的中国创业者热血故事元素，阿斯麦一样都不缺。

但看完它的故事，我也很矛盾，感到有些沮丧。

以史为鉴，中国人完全有可能做出像阿斯麦一样的企业。

而有一些能卡住光刻机脖子的问题，不是阿斯麦能够解决的，也就不一定是中国人短时间能靠自己来解决的。

01

1952年，美国贝尔实验室迎来了一批特殊的客人。

他们是来公开“抄作业”的。

在这里举办的一场晶体管技术研讨会上，贝尔实验室同25家美国公司、10家外国公司分享了所有晶体管技术，收取专利授权费25000美元。

当时参会的有一家小公司，叫飞利浦物理实验室，英文是Natlab（简称“N公司”），这就是光刻巨人阿斯麦的前身。

50年代，他们利用晶体管技术推出了各种元件，取得了巨大的商业成功。

60年代初，N公司的一位研发分部主任去美国出差，带回来一枚美国人做的芯片。

荷兰人意识到他们错过了和世界先进技术同步发展的机会。

飞利浦研发主管对年轻工程师克洛斯特曼（小克）提出要求，让他放下手头工作，集中精力制作一枚芯片。

当时N公司没有相关的光刻技术，于是小克决定自己搞一台机器出来。

那一年，美国的GCA（G公司）已经卖出了几十台重复曝光光刻机。

严格来说，光刻机应该叫曝光机，它的工作原理有点类似于单反相机。

只不过高端的单反镜头支持6000万像素分辨率，而一台7纳米光刻机的像素可以达到1600亿像素，是顶级单反的2666倍。

来源：启哥有何妙计

它的作用是把掩膜板上的图形，缩小以后投影到硅片上。

硅片上有光刻胶，胶里有光致敏剂，光一照就会变化。

曝光以后，经过烘烤固化、显影处理，掩膜版上的图形就复制到了硅片表面。

至于“刻”硅片的过程，则是在曝光以后，由刻蚀机来完成的。

所以光刻机的作用就像用阳光照剪纸（掩膜），再在桌上放一张纸（晶圆），把剪纸阴影的边缘描出来。

然后刻蚀机再对准桌上的描边，剪出一张微缩的图案。

这个过程之所以是这样，是因为20世纪50年代，化学家詹姆斯·纳尔从显微镜当中获得的启示。

显微镜可以把小东西放大，那么如果把显微镜颠倒过来，是不是就可以让大图像变小？

人们可以利用这种原理，在微小台面上“打印”复杂图案，从而在半导体材料上绘制出集成电路，做成芯片。

早期掩膜（红膜）有几英尺大，可以人工绘制

那么当要打印的电路图越来越复杂、细小，这个过程会出现什么困难呢？

一大难点在于光刻系统高速运行的过程中要保持精准。

比如一片晶圆上需要曝光的单元有几百个。

晶圆在曝光运动过程中，可能是镜头不动，机器操纵晶圆动来动去，那么就涉及到加速-急停-加速-急停。

在晶圆“刹车”的时候，位置要对准到什么程度？要达到1纳米以内的对齐精度，也叫“套刻精度”（Overlay）。

不然你“刻”一会儿，该“刻”的位置就歪了，就像剪纸剪跑偏了。

有人比喻这个过程，相当于两架飞机并排飞，一个人拿出刻刀，在另一架飞机表面一粒米大小的面积上刻字。

而阿斯麦的光刻机系统，在保持这种精度的前提下，全年可以稳定运行超过98%的时间，停机检修工作只需要7天左右，剩下350多天都能帮你“印钞”，阿斯麦设定的每一个部件正常工作时间要达到3万小时以上，也就是4年左右。

只不过小克刚上手研究的时候，阿斯麦（也就是N公司）离这种水平还差着十万八千里。

小克的老板觉得自己人研究太慢了，就先找美国G公司买了一台光刻机。

当时这台机器粗糙到，如果想要移动晶圆位置，还得手动拧螺丝来调整。

每移动几厘米，误差就会达到几微米，也就是头发丝十分之一的宽度。

小克觉得美国人的机器不是特别牛。

60年代后期，飞利浦的半导体材料部也发现美国人的光刻设备满足不了生产需要了，就找到了自家N公司商量，双方一拍即合：一起弄出来一台光刻机。

当时N公司依托飞利浦，拥有很多精密技术和设备，比如一个光电标尺可以测出0.1微米的位移，在当年都是非常先进的。

还有液压轴承、空气轴承，都是飞利浦没有商业化的技术，但N公司内部可以生产，对满足光刻机的精度要求非常重要。

光刻机1代的气动系统的一部分，通过压缩空气移动晶圆

但他们搞不定镜头。

小克找到了德国蔡司，对方觉得N公司要的镜头数太少，拒绝给他们定制，随后小克找到了法国的C公司（CERCO）解决了这个问题。

就在同一时期，美国的G公司也找到了更好的镜头供应商——尼康。

但是飞利浦在用G公司光刻机的时候，发现他们的设备不可靠，第一套掩膜（也就是“剪纸”）良率高，之后的就很拉胯。

飞利浦在光刻机上贴了温度计，发现电极让滑轨变热，滑轨热胀冷缩就会翘曲，轨道从直线变成了弧线，虽然弧度很小，但是会破坏精度。

小克团队注意到锁定滑轨的约束螺栓，调整它的松紧，就能把晶圆台的偏差校正到零点几微米之内，随后在自家的机器上改良了这一点。

1967年，小克信心满满地带着N公司的光刻机原型参加飞利浦的年度展览。

飞利浦的董事会成员也来到了展台旁。小克正在眉飞色舞地讲解，董事却溜到旁边展台看新款洗衣机了。

对飞利浦集团来说，一台能年销几万台的“三大件”远比一台没有商业前景的破机器诱人得多。

但飞利浦的半导体材料部是懂行的，他们订购了1台N公司的光刻机，非常满意，每套掩膜之间的对齐精度也很高。

在1976年飞利浦的年度报告里写着这样一句话：

“由于在光学、机械和控制系统方面有着丰富的经验，我们成功地在研发设备中实现了位置移动10厘米而位移偏差只有0.1微米。”

但是这项技术除了用来自恋，没有其他用处。

到80年代初，美国G公司的光刻机拿下了IBM、仙童、西门子等大客户，1981年的销售额达到了1.1亿美元，3年翻了近10倍。

而N公司这边研发一片混乱，一台售出的光刻机都没有。

油压轴承也出了问题。有一天，油泵机发出刺耳的嘶嘶声，机油从导管喷涌而出，整个超净工作室沾满了油污。

他们决定要改用永磁体来驱动电机。

经历无数次失败，他们的线性电机实现了两个目标：

运动时达到极高的加速度，带来光刻机更高的吞吐效率；

静止时停在该停的位置，达到极高的静态精度。

但是大家不知道该怎么量产这台机器。

因为大家不喜欢搞一大堆图纸，出了问题都是拿嘴沟通，解决了就拉倒。

结果所有知识分散在所有人的脑袋里，连第二台机器都不知道该怎么“复制”出来。

N公司想了一招：懒得动笔，那就把所有流程都用相机拍下来。

在经历了非常动荡的内部磨合之后，他们终于将一台测试样机送到了IBM。对方虽然提出了一些改善建议，但看上去就要下订单了。

负责人乔治乐观地说：“他们会订购三四十台呢！”

但是接下来很长时间，IBM都没有下订单。

团队士气低迷，而飞利浦内部对光刻机项目的质疑也越来越大。

半导体材料部门从G公司订购的设备总能按时交货，但自家N公司的设备却总是延期。

G公司一年能卖200台光刻机，N公司只有5台，还是供给飞利浦。

飞利浦CEO德克下令：“尽快结束光刻机这种没意义的项目。”

他们打算叫停或出售飞利浦各种不赚钱的业务，这是西方大公司的常规操作。

有一家荷兰本地的芯片设备厂商想要接盘，它的名字叫ASM（先进半导体材料公司），但是N公司高层很快就把它的名字划掉了，嫌人家体量太小。

这时候，美国G公司最大的竞争对手P公司（Perkin-Elmer）受邀来到飞利浦考察。

他们参观完光刻机制造产线以后告诉他们：“你们这简直就是一间用金砖做的茅房。”

意思是虽然技术不错，但是没必要弄这么昂贵。

更让P公司高管惊讶的是，飞利浦董事会高层对芯片市场一无所知，对光刻机业务满脸嫌弃。

他们问N公司的人：“呃，你们大领导知道自己在说啥吗？”

P公司有意愿收购，但随后他们又参访了另一家公司，就改了主意。

N公司觉得自己就像没人要的孩子。

但只说对了一半。

因为ASM的老板德尔·普拉多（老普）始终不死心。

他的公司在1978~1983年间收入增长了6倍。

1983年春天，负责飞利浦光刻机业务的技术董事克鲁伊夫（老克）在报纸上读到了ASM成功地故事。他意识到：老普这家伙还挺有钱的。

当时飞利浦全新的步进式光刻机距离完工只剩一步之遥，而ASM成了他们最后一根救命稻草。

1983年，当老克第一次走进老普办公室的那天，他们只用了不到1个小时就敲定了飞利浦和ASM建立合资企业的计划。

也就是后来的阿斯麦（ASML）。

老普想做的事情很简单：他的公司生产其他几乎所有种类的芯片制造设备，除了光刻机。

收了N公司，他就能做成设备全产业链一条龙。

双方股权50%对50%。

但实际上，只有老普拿着真金白银注资210万美元，而飞利浦几乎“一毛不拔”，拿着一批过时的设备、原料充抵注册资金180万美元，只掏了30万现金。

连飞利浦的管理人员都看不下去了：“这家新公司买杯咖啡就能破产。”

在收购之后，老普才发现阿斯麦的产量真是马尾巴穿豆腐——提不起来，连年产40台的目标都达不到。

那家法国的C公司也很拉胯，供应的16个镜头里只有1个能满足客户IBM的要求。

一些著名分析师表示：这家合资公司注定失败。

1984年春天，阿斯麦拥有47名意志消沉的飞利浦员工。

他们之所以肯来，是因为集团保证4年后他们可以转岗回到飞利浦。

那一年，G公司和尼康是全球光刻机的冠亚军，而阿斯麦的市占率依然是0。而佳能、日立和其他国际公司也在争抢蛋糕。

他们计划在1986年参加硅谷的国际半导体展会，展示一款新光刻机来抢占市场。

但在两年内量产一台比对手更强的光刻机，几乎不可能。

阿斯麦的第一任CEO贾特·斯密特（老贾）担起了这副重担。

在阿斯麦几乎没人喜欢他独断专行的风格，多年后当他离职时，同事按惯例给他众筹的离职红包里只装了80美元。

但他是带着阿斯麦起飞的第一人。

他逼着大家改变工作流程，每天拿出一部分精力来记录工作日志，整理文档。

客户明确告诉老贾，他们不需要欧洲的光刻机：“等你卖出去20台，再来找我谈吧。”

老贾没有一蹶不振，而是发现了产业升级过程中的机会：

从大规模集成电路（LSI，细节大于1微米）到超大规模集成电路（VLSI，细节小于1微米），产业需要新一代光刻机，处理的晶圆尺寸也会从4英寸升级到6英寸。

而当时业界没有形成解决方案。

尼康、G公司，都还在用导程螺丝杆来移动晶圆台，图像细节定位精度大于1微米，而阿斯麦掌握着技术优势。

老贾认为，这是阿斯麦弯道超车的机会——两年后，交出一台成熟的VLSI光刻机。

他估计，这需要投入1亿美元。

他需要去求2个爸爸——两个前期只投入了210万和30万美元的爸爸们。

老贾精心准备了一套PPT，给董事们画出了新的大饼，指出阿斯麦的一些技术无人能比，行业未来一定会大洗牌，成为头部公司的市占率和回报是非常可观的。

“我们可能需要多达1亿美元，但只是一个粗略的估计。具体的数字可能更少，也许5000万就够了。”

事后证明，老普估的很准。

包括老普在内，董事们很震惊，这个保底数字是当时母公司ASM全年的营收，而ASM刚刚扭亏为盈。

最后老贾得到的回复是：你可以接着搞，董事会追加300万美元（0.03亿美元），剩下的钱你自己想办法。

之后，老贾一边找钱，一边招人。

他们需要软件、电子、机械、光学、测量和控制技术等各个学科的人才。

为了钓到更多的鱼，他们在报纸上登招聘广告，怕公司没名气，擅自用了飞利浦的标识——老贾假装自己不知道，还被母公司骂了一顿。

结果收到了300份简历，很多人的求职信上都标着“请转交飞利浦公司”，大家都是冲着大厂来的。

02

20世纪80年代，随着日本半导体产业，尤其是内存产业的快速发展，佳能和尼康获得了巨大的发展机会。

从日本到美国，他们一步步蚕食着G公司原本占有的市场。

1984年底，日本光刻机市场规模超过美国。

这一年，阿斯麦把公司搬到了荷兰南部的费尔德霍芬，一座人口只有4.5万人的城市。

今天，全世界以万亿美元计算产值的半导体产业都要看这座小城的脸色。

但是在当年，阿斯麦的大部分员工就是在这样一些简易板房里开发光刻机的。

为了这一次“弯道超车”计划，阿斯麦开始网罗供应商。

为了做出直线电动机，他们需要50个定子，也就是发电机中保持固定不动的部分。

他们在飞利浦的供应链当中寻找工厂，这些企业每年都是给飞利浦做上万件零部件配套的。

他们告诉对方一年只需要50个，谈话就结束了。

阿斯麦的员工觉得自己像个没人搭理的小娃娃。

但他们没有退缩，而是找到飞利浦各个工厂求援，一开始都吃了闭门羹。

这些工厂没见过这么执拗的人，他们的态度也开始松动。

最终阿斯麦员工发现，只要穿过几条街，就可以在飞利浦的玻璃工厂里找到一些精密的玻璃部件。

工人在ASML楼内的新超净室中组装

供应链解决了，但交货又成了问题。缺少一个部件，光刻机就不能工作。

负责供应链的克拉森几乎要崩溃了。

他周五下午问飞利浦的司机，零件啥时候到。

司机说：“都快五点啦，这周没戏啦。”

因为飞利浦员工从不加班。

克拉森绞尽脑汁，想出一辙，没想到真的管用：

给他们塞一笔加班费，送上几杯啤酒，再来两瓶葡萄酒。

所以他的后备箱里装满了各种酒。

为了确保不缺东西，他要求所有东西堆在他眼前。

结果他的办公室里堆满了电缆、插头和成箱的零件。

克拉森与电动机零件

在镜头方面，他们一脚踢开了不靠谱的法国C公司，再次找到蔡司。

但对方再次拒绝为阿斯麦定制镜头，而是让他们从库存里挑。

阿斯麦给蔡司画大饼，说未来几年会扩大数倍的订单量，蔡司一点也不感兴趣，因为一个蔡司“金手指”工匠要培训几年甚至十几年，人才供给跟不上。

20世纪50年代蔡司的中央光学生产车间

经过一番软磨硬泡，蔡司最终还是答应了。

但是蔡司上来就坑了阿斯麦一把。

由于密封镜头的胶水同其他材料的热膨胀系数不一样，镜片用着用着就会发生漂移，图像变得模糊，客户退回了一批又一批产品。

蔡司当年的这个问题不仅坑了阿斯麦，也坑了美国的G公司。

在承认这个问题之后，蔡司才低下了高傲的头颅，开始同阿斯麦共同研发光刻机光学系统的解决方案。

1985年，阿斯麦的新机器PAS 2400制造完成。

老贾打算敲锣打鼓地宣传一番。

在半导体展会上，他们在参观手册上买下了10个版面，拿自家机器与行业主流产品进行对比，跟现在手机发布会上的参数对比没什么两样。

广告：阿斯麦光刻机每小时处理硅片74片，高于尼康和G公司