光刻机的发展与荷兰ASML公司的故事
发布时间：2020-02-13 22:48:40 热度：15755
2/13/2020， 众所周知，光刻是集成电路芯片制造的核心工艺。光刻机的成本占到了整个芯片生产的三分之一以上。而在光刻机的市场上，荷兰ASML公司如今据说占到了全球光刻机80%以上的市场。他们是如何做到的呢？
1960年代集成电路技术诞生后，最早的光刻工艺还不算什么尖端科技。仙童，IBM这些第一代芯片公司通常都是自己设计光刻工具，只有GCA, K&S和Kasper等少数公司开发一些独立的光刻设备。进入1970年代，光刻机成为不少美国公司竞争的焦点。先是Kasper推出接触式光刻设备，但是很快，接触式被接近式机台所淘汰，因为掩模和光刻胶的接触会很容易带来污染。接下来Perkin Elmer（P&E）推出投影式光刻系统，迅速占领市场。1978年，GCA公司推出步进式光刻机，光刻机的分辨率达到了1微米。但是由于性能问题，暂时没能撼动Perkin Elmer投影式光刻机的市场领先度，直到进入80年代后日本尼康公司推出更成熟的步进式光刻机NSR-1010G，投影式光刻机的市场才开始萎缩。整个80年代上半期，尼康，GCA各自占据了三成的光刻机全球市场。
也是在这个时候，诞生了荷兰ASML公司。1980年代初，当他们搬迁到靠近埃因霍温飞利浦园区一处建议小房子时，ASML的创始人想象不到30年后他们会成为全球半导体创新的领袖。1984年4月1日，电子巨人荷兰飞利浦公司与荷兰先进半导体材料国际ASMI公司（1964年由Arthur del Prado创办，从代理起家逐步进入设备自己研发生产）各自出资210万美元合作成立了一家专注于开发光刻系统的公司，名字叫做ASM光刻，也就是今天的ASML，公司最初只有31名员工。公司成立的第一年，就推出了第一套光刻系统PAS2000 步进型。当然，这套系统并不是凭空而来，飞利浦关于光刻系统的研发工作早在1970年代初就开始了，事实上飞利浦最初的注资中有180万美元就是用尚未研发完成的PAS2000充当的。1985年，公司发展到100多员工，搬入位于Veldhoven新建的厂房，这个地方距离飞利浦研发实验室只有几公里远。1986年，公司推出改进了对准系统的PAS 2500步进型，奠定了随后多项技术创新的基础。也在那一年，ASML同卡尔蔡司（Carl Zeiss）公司建立了稳定的合作关系。
ASML最初的创业地点（图片来自光刻机之战）
1988年，ASML的国际化拓展初见成功。他们跟随飞利浦在台湾的合资流片工厂台积电开拓了亚洲业务，在美国的员工数增加到84人，建立了五个办公室。1988年，刚刚完成设备安装的台积电一场大火为ASML送来急需的17台光刻机订单。
尽管如此，初创期的ASML还不能完全自立，他们的客户数屈指可数，市场竞争异常激烈。1980年代末恰逢全球半导体市场大滑坡。原先主导光刻机市场的美国光刻机厂商GCA, Ultratech和P&E光刻部先后退出或者缩小规模。日本的尼康和佳能成为主导国际光刻机市场的两雄。就在那个时候，ASML两家股东同样遭遇困难，先是ASMI承受不了巨额投资却不见回报决定退出，飞利浦也宣布庞大的成本削减计划。为了挽救公司，ASML的管理层找到了飞利浦公司董事会成员Henk Bodt，通过他说服其他董事决策为公司再提供一笔资金。
ASML的团队没有辜负飞利浦董事会的信任。1990年，他们推出了PAS 5500，这一具有业界领先的生产效率和精度的光刻机。PAS 5500也为ASML带来几家关键的客户，包括台积电，三星和现代，这些客户是他们后来实现赢利的关键。1995年，ASML成为阿姆斯特丹和纽约上市公司。飞利浦公司在IPO的时候出售了其受中持有的一半ASML股份，又在随后几年将其他股份抛售。上市为ASML带来所需要的资金，支持他们进一步扩大研发和生产规模。他们扩建了位于Veldhoven的De Run厂房，这里后来成为公司新总部所在。
2001年，AMSL推出TWINSCAN系统和革命性的双段(dual-stage)技术，在对一块晶圆曝光的同时测量对准另外一块晶圆，从而大大提升了系统的生产效率和精确率。2003年，TWINSCAN AT:1150i成为首台浸入式设备，2006年首台量产的浸入式设备TWINSCAN XT:1700i发布，2007年，首个193nm的浸入式系统TWINSCAN XT:1900i发布。这些创新的系统让客户可以生产更小尺寸的芯片，其特点是可以让光经过透镜组和晶圆之间的一层水实现投影。
浸入式光刻技术来自台积电的林本坚博士一个建议。在那之前，全球的半导体工业都为超越193nm光刻绞尽脑汁，但是先后失败。只有林博士提出的这个工程师相对简单的办法最后成功。从那以后，浸入式光刻一直做到如今的7nm。正是凭借浸入式光刻的突破，让ASML超越尼康，一跃成为全球光刻机市场的新霸主。
接下来光刻机的竞争进入EUV（极深紫外）时代。目前全球最先进的EUV光刻工艺使用的是13nm光源，能够满足7nm线宽制程工艺的要求。全球能够达到这种水平的光刻机制造商暂时只有一家——ASML。
2001年，ASML收购美国硅谷集团SVG，获得关键的157nm光学技术，也因此得以进入美国市场。2007年，ASML收购领先的半导体设计和制造优化解决方案提供商BRION，开启整体(Holistic)光刻战略。2008年，又首次发售支持实时测试纠正的YieldStar（250D）系统，在整体光刻上更进一步。2010年，ASML首次发售概念性的EUV光刻系统NXW:3100，客户是一家亚洲流片公司的研发机构，从而开启光刻系统的新时代。EUV光刻采用更短波长的光来制造更小特征尺寸，更快也更强大的芯片。
2013年，ASML收购美国加州圣地亚哥的光刻光源厂商Cymer，加快EUV系统研发，同年，ASML发售第二代EUV系统NXE:3300，2015年又推出第三代EUV系统NXE:3350。2016年，第一批面向制造的EUV系统NXE:3400开始批量发售给客户。在这个时候，ASML继续改进浸入式光刻技术，先后推出NXT1970Ci和NXT1980Di，这两款设备被全球的半导体工业广泛部署。
2016年，ASML进一步扩展整体光刻产品线，并购台湾Hermes Microvision（HMI）公司，一家领先的电子束计量公司，并在一年后成功推出整合两家公司技术的ePfm5系统。在荷兰电子束光刻公司Mapper破产后，ASML收购了其IP资产，还延揽了其研发人员。
纵观光刻机产业的历史和ASML的发展故事，我们可以看到，坚持，对新技术趋势的准确判断与把握，持续不断的研发投入，充足的资本保障是ASML能在30多年时间里从小到大，一跃成为全球光刻机行业龙头的关键要素。和ASML同时起步，甚至更早的上海微电子（SMEE）的光刻机却没有发展起来。他们的对比，值得所有做产业研究的深思。
*本文的素材来自网文“光刻机之战”以及ASML网站。
1960年代集成电路技术诞生后，最早的光刻工艺还不算什么尖端科技。仙童，IBM这些第一代芯片公司通常都是自己设计光刻工具，只有GCA, K&S和Kasper等少数公司开发一些独立的光刻设备。进入1970年代，光刻机成为不少美国公司竞争的焦点。先是Kasper推出接触式光刻设备，但是很快，接触式被接近式机台所淘汰，因为掩模和光刻胶的接触会很容易带来污染。接下来Perkin Elmer（P&E）推出投影式光刻系统，迅速占领市场。1978年，GCA公司推出步进式光刻机，光刻机的分辨率达到了1微米。但是由于性能问题，暂时没能撼动Perkin Elmer投影式光刻机的市场领先度，直到进入80年代后日本尼康公司推出更成熟的步进式光刻机NSR-1010G，投影式光刻机的市场才开始萎缩。整个80年代上半期，尼康，GCA各自占据了三成的光刻机全球市场。
也是在这个时候，诞生了荷兰ASML公司。1980年代初，当他们搬迁到靠近埃因霍温飞利浦园区一处建议小房子时，ASML的创始人想象不到30年后他们会成为全球半导体创新的领袖。1984年4月1日，电子巨人荷兰飞利浦公司与荷兰先进半导体材料国际ASMI公司（1964年由Arthur del Prado创办，从代理起家逐步进入设备自己研发生产）各自出资210万美元合作成立了一家专注于开发光刻系统的公司，名字叫做ASM光刻，也就是今天的ASML，公司最初只有31名员工。公司成立的第一年，就推出了第一套光刻系统PAS2000 步进型。当然，这套系统并不是凭空而来，飞利浦关于光刻系统的研发工作早在1970年代初就开始了，事实上飞利浦最初的注资中有180万美元就是用尚未研发完成的PAS2000充当的。1985年，公司发展到100多员工，搬入位于Veldhoven新建的厂房，这个地方距离飞利浦研发实验室只有几公里远。1986年，公司推出改进了对准系统的PAS 2500步进型，奠定了随后多项技术创新的基础。也在那一年，ASML同卡尔蔡司（Carl Zeiss）公司建立了稳定的合作关系。
ASML最初的创业地点（图片来自光刻机之战）
1988年，ASML的国际化拓展初见成功。他们跟随飞利浦在台湾的合资流片工厂台积电开拓了亚洲业务，在美国的员工数增加到84人，建立了五个办公室。1988年，刚刚完成设备安装的台积电一场大火为ASML送来急需的17台光刻机订单。
尽管如此，初创期的ASML还不能完全自立，他们的客户数屈指可数，市场竞争异常激烈。1980年代末恰逢全球半导体市场大滑坡。原先主导光刻机市场的美国光刻机厂商GCA, Ultratech和P&E光刻部先后退出或者缩小规模。日本的尼康和佳能成为主导国际光刻机市场的两雄。就在那个时候，ASML两家股东同样遭遇困难，先是ASMI承受不了巨额投资却不见回报决定退出，飞利浦也宣布庞大的成本削减计划。为了挽救公司，ASML的管理层找到了飞利浦公司董事会成员Henk Bodt，通过他说服其他董事决策为公司再提供一笔资金。
ASML的团队没有辜负飞利浦董事会的信任。1990年，他们推出了PAS 5500，这一具有业界领先的生产效率和精度的光刻机。PAS 5500也为ASML带来几家关键的客户，包括台积电，三星和现代，这些客户是他们后来实现赢利的关键。1995年，ASML成为阿姆斯特丹和纽约上市公司。飞利浦公司在IPO的时候出售了其受中持有的一半ASML股份，又在随后几年将其他股份抛售。上市为ASML带来所需要的资金，支持他们进一步扩大研发和生产规模。他们扩建了位于Veldhoven的De Run厂房，这里后来成为公司新总部所在。
2001年，AMSL推出TWINSCAN系统和革命性的双段(dual-stage)技术，在对一块晶圆曝光的同时测量对准另外一块晶圆，从而大大提升了系统的生产效率和精确率。2003年，TWINSCAN AT:1150i成为首台浸入式设备，2006年首台量产的浸入式设备TWINSCAN XT:1700i发布，2007年，首个193nm的浸入式系统TWINSCAN XT:1900i发布。这些创新的系统让客户可以生产更小尺寸的芯片，其特点是可以让光经过透镜组和晶圆之间的一层水实现投影。
浸入式光刻技术来自台积电的林本坚博士一个建议。在那之前，全球的半导体工业都为超越193nm光刻绞尽脑汁，但是先后失败。只有林博士提出的这个工程师相对简单的办法最后成功。从那以后，浸入式光刻一直做到如今的7nm。正是凭借浸入式光刻的突破，让ASML超越尼康，一跃成为全球光刻机市场的新霸主。
接下来光刻机的竞争进入EUV（极深紫外）时代。目前全球最先进的EUV光刻工艺使用的是13nm光源，能够满足7nm线宽制程工艺的要求。全球能够达到这种水平的光刻机制造商暂时只有一家——ASML。
2001年，ASML收购美国硅谷集团SVG，获得关键的157nm光学技术，也因此得以进入美国市场。2007年，ASML收购领先的半导体设计和制造优化解决方案提供商BRION，开启整体(Holistic)光刻战略。2008年，又首次发售支持实时测试纠正的YieldStar（250D）系统，在整体光刻上更进一步。2010年，ASML首次发售概念性的EUV光刻系统NXW:3100，客户是一家亚洲流片公司的研发机构，从而开启光刻系统的新时代。EUV光刻采用更短波长的光来制造更小特征尺寸，更快也更强大的芯片。
2013年，ASML收购美国加州圣地亚哥的光刻光源厂商Cymer，加快EUV系统研发，同年，ASML发售第二代EUV系统NXE:3300，2015年又推出第三代EUV系统NXE:3350。2016年，第一批面向制造的EUV系统NXE:3400开始批量发售给客户。在这个时候，ASML继续改进浸入式光刻技术，先后推出NXT1970Ci和NXT1980Di，这两款设备被全球的半导体工业广泛部署。
2016年，ASML进一步扩展整体光刻产品线，并购台湾Hermes Microvision（HMI）公司，一家领先的电子束计量公司，并在一年后成功推出整合两家公司技术的ePfm5系统。在荷兰电子束光刻公司Mapper破产后，ASML收购了其IP资产，还延揽了其研发人员。
纵观光刻机产业的历史和ASML的发展故事，我们可以看到，坚持，对新技术趋势的准确判断与把握，持续不断的研发投入，充足的资本保障是ASML能在30多年时间里从小到大，一跃成为全球光刻机行业龙头的关键要素。和ASML同时起步，甚至更早的上海微电子（SMEE）的光刻机却没有发展起来。他们的对比，值得所有做产业研究的深思。
*本文的素材来自网文“光刻机之战”以及ASML网站。
