歐洲芯片簡(jiǎn)史：這家荷蘭公司，扼住了全球半導(dǎo)體芯片的咽喉

本文來自微信公眾號(hào)“魔鐵的世界”，作者蔣培宇。

一提起荷蘭，大家首先想到的是巨大的風(fēng)車，以及色彩華美的郁金香。很少有人會(huì)留意到，在雨水充沛、人口不到30萬的荷蘭南部城市費(fèi)爾德霍芬（Veldhoven），坐落著一家叫阿斯麥（ASML.US）的公司，它是全球最大的光刻機(jī)制造商。

阿斯麥（ASML）在費(fèi)爾德霍芬（Veldhoven）的總部圖片來源/阿斯麥官網(wǎng)

阿斯麥的地位有多重要？可以這么說，如果它停產(chǎn)，全球半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)將會(huì)停擺。

阿斯麥的行業(yè)地位，還可以通過近期一則新聞略窺一斑。5月初，美國圣克拉拉市高等法院作出最終判決，阿斯麥起訴XTAL公司竊取商業(yè)機(jī)密勝訴，阿斯麥獲賠8.45億美元，并獲得XTAL的大部分專利和客戶。

這樁官司發(fā)生的背后，和阿斯麥的一位客戶想借XTAL打破阿斯麥的市場(chǎng)壟斷地位有關(guān)。

這方面，或許市場(chǎng)數(shù)據(jù)更有說服力。

2017年全球光刻機(jī)總出貨294臺(tái)，阿斯麥出貨198臺(tái)，占據(jù)市場(chǎng)份額68%，在更高端的EUV（極紫外）光刻機(jī)方面，市場(chǎng)100%屬于阿斯麥。正因?yàn)槿绱?，才有客戶?dān)心自己被阿斯麥卡脖子，于是絞盡腦汁培養(yǎng)阿斯麥的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手XTAL。

合抱之木，生于毫末。阿斯麥剛成立時(shí)，可謂爹不疼娘不愛，靠著苦心鉆營出一套打法，最終從尼康等老牌光刻機(jī)大戶嘴里搶到飯吃，從青銅走上王者之巔。

“出生于”尼康為王的時(shí)代

阿斯麥成立于1984年。

1984年正是尼康來回碾壓美國對(duì)手的時(shí)代：

在硅谷成立尼康精機(jī)，等于把戰(zhàn)斗指揮部放到美國高科技行業(yè)的心臟；

PerkinElmer（鉑金埃爾默）受尼康沖擊，份額從超過30%跌到不足5%，今天它已經(jīng)完全放棄半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù)，專注于健康檢測(cè)設(shè)備；

GCA的大客戶IBM、AMD、TI和Intel等，排著隊(duì)跑到尼康那兒；

尼康和GCA各享30%的市場(chǎng)份額，這種一山二虎的局面沒有維持多久，尼康就獨(dú)自為王，占領(lǐng)超過50%的份額，一直到阿斯麥崛起為止；

在大戶尼康肆意放飛自我的時(shí)候，阿斯麥出生了。

直到今天，半導(dǎo)體設(shè)備在尼康集團(tuán)的收入中占比仍達(dá)38.8%，是第二大支柱。圖片數(shù)據(jù)/尼康官網(wǎng)

早在幾年前，飛利浦實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出自動(dòng)化步進(jìn)式光刻機(jī)(Stepper)的原型，但對(duì)它的商業(yè)價(jià)值心里直敲小鼓，找P&E、GCA、Cobilt、IBM這些半導(dǎo)體界的大佬談合作，沒人愿意搭理。這時(shí)，荷蘭一家叫ASM International的小公司主動(dòng)要求合作。飛利浦猶豫了一年，勉強(qiáng)同意成立股權(quán)對(duì)半的合資公司，這就是阿斯麥。

飛利浦之所以愿意放低身價(jià)和一家名不見經(jīng)傳的小公司合作，原因有兩個(gè)：

一方面是飛利浦當(dāng)時(shí)正和索尼主推更賺錢的CD，1984年CD的銷量達(dá)到1300萬張，是上一年的兩倍多，正漸漸散發(fā)出印鈔機(jī)的氣質(zhì)，比小眾的光刻機(jī)更有投資價(jià)值；

另一方面，尼康在光刻機(jī)市場(chǎng)攻城掠地，老牌半導(dǎo)體設(shè)備廠商節(jié)節(jié)敗退，雪上加霜的是，飛利浦當(dāng)時(shí)正打算開始大規(guī)模裁員，糟糕的經(jīng)濟(jì)狀況和惡劣的光刻機(jī)市場(chǎng)環(huán)境，使它不敢大手筆押注光刻機(jī)，因此與ASM International合作，不過是想占個(gè)坑觀望而已。

阿斯麥成立后，地位類似童養(yǎng)媳，飛利浦沒有撥付經(jīng)費(fèi)，甚至不提供辦公室，31個(gè)員工就在飛利浦大廈外的簡(jiǎn)易木棚房辦公。多年以后，阿斯麥的CEO彼得.韋尼克（Peter Wennink）回憶公司初創(chuàng)時(shí)的境況，還忍不住說“窮困”。一句話：既沒錢，又受對(duì)手壓制。

阿斯麥剛成立時(shí)的辦公地是飛利浦大廈前的簡(jiǎn)易木棚房，就是圖中緊挨垃圾桶的小房子。圖片來源/阿斯麥官網(wǎng)

在2000年之前的整個(gè)16年時(shí)間里，光刻機(jī)市場(chǎng)差不多都是尼康的后花園，阿斯麥占據(jù)的份額不超過10%。

直到一個(gè)叫林本堅(jiān)的華人出現(xiàn)。

臺(tái)積電林本堅(jiān)宣判“干式”微影技術(shù)死刑

1959年，成立半年的仙童半導(dǎo)體公司赫爾尼發(fā)明了制造擴(kuò)散型晶體管的“平面處理工藝”，使晶體管制造像印刷書籍一樣高效。這一工藝的流程之一，是把帶有電路圖的透光片正確投射到硅片上?！捌矫嫣幚砉に嚒闭Q生之后成為集成電路的標(biāo)準(zhǔn)工藝，一直沿用至今，其最初采用的“干式”（以空氣為介質(zhì)）微影技術(shù)也沿用到上世紀(jì)90年代（鏡頭、光源等一直在改進(jìn)），然后遇到瓶頸：始終無法將光刻光源的193nm波長縮短到157nm。

當(dāng)時(shí)，為縮短光波長度，大量科學(xué)家和幾乎整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界都被卷進(jìn)來，砸進(jìn)數(shù)以十億計(jì)的美金，以及大量人力，提出了多種方案。

但這些方案，要么需要增大投資成本，要么太過超前，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)（比如極紫外（EUV）光刻,后文會(huì)講到）。

當(dāng)大家排隊(duì)往157nm的“墻”上撞時(shí)，時(shí)任臺(tái)積電研發(fā)副總經(jīng)理的林本堅(jiān)來了個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎：既然157nm難以突破，為什么不退回到技術(shù)成熟的193nm，把透鏡和硅片之間的介質(zhì)從空氣換成水，由于水的折射率大約為1.4，那么波長可縮短為193/1.4=132nm，大大超過攻而不克的157nm。

這個(gè)方案被稱做“浸入式光刻技術(shù)”，優(yōu)勢(shì)非常明顯：

由于是利用現(xiàn)有成熟技術(shù)改造，資金投入小，可以給半導(dǎo)體設(shè)備制造商節(jié)省研發(fā)投入，并減小芯片制造商的導(dǎo)入成本；

如果把介質(zhì)從水換成其它高折射率液體，波長還可以縮小到132nm以下，也就是說提高光刻機(jī)的分辨率非常方便。

“浸入式光刻”方案并非林本堅(jiān)靈光一現(xiàn)的產(chǎn)物，實(shí)際上早在1986年，他在IBM工作期間，就已經(jīng)認(rèn)定縮短波長的最佳方案是由干式微影技術(shù)轉(zhuǎn)向浸潤式。但當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體界還沒在波長前撞墻，浸潤式技術(shù)方案沒有得到重視。

15年后，林本堅(jiān)終于等來了機(jī)會(huì)。

林本堅(jiān)

“浸入式光刻”方案一出，基本上宣判了半導(dǎo)體界正在開發(fā)的各種“干式”微影技術(shù)方案的死刑，意味著此前投入巨量的資金和人力幾乎打了水漂。這下大家不干了，列出了一大堆反對(duì)理由，并有大公司高層捎話給臺(tái)積電共同運(yùn)營長蔣尚義，希望他管管林本堅(jiān)，“不要（出來）攪局”。

阿斯麥下注崛起

林本堅(jiān)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)半年發(fā)表3篇論文，消除業(yè)界對(duì)“浸入式光刻”方案的技術(shù)疑慮，同時(shí)跑遍美國、德國、日本等國，說服大廠們采用“浸入式光刻”方案，基本都是被拒絕。畢竟之前的巨量投入打水漂，是個(gè)人想想都會(huì)心疼（尼康現(xiàn)在大概是后悔的）。

來到荷蘭阿斯麥時(shí)，林本堅(jiān)終于聽到愿意合作的聲音。

打動(dòng)阿斯麥的，除了“浸入式光刻”方案的技術(shù)難點(diǎn)被林本堅(jiān)證明可以攻克，還有它的市場(chǎng)前景。由于半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)一直被摩爾定律的小鞭子驅(qū)趕著，而英特爾又是摩爾定律的堅(jiān)定支持者，“浸入式光刻”方案既然可以輕松突破157nm的障礙，那么產(chǎn)品生產(chǎn)出來，英特爾將會(huì)下單，加上臺(tái)積電，阿斯麥可以拿下兩家龍頭客戶。

半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)是個(gè)小眾市場(chǎng)，兩家龍頭企業(yè)點(diǎn)頭后，阿斯麥追上行業(yè)老大尼康的概率大大增加，權(quán)衡下來，此前對(duì)干式微影技術(shù)的投入就顯得不那么肉疼，阿斯麥于是決定下注投入“浸入式光刻”方案。

阿斯麥和臺(tái)積電一拍即合。2004年，雙方共同研發(fā)成功全球第一臺(tái)浸潤式微影機(jī)。當(dāng)然，尼康也不是吃素的，宣布采用干式微影技術(shù)的157nm產(chǎn)品和電子束投射（EPL）產(chǎn)品樣機(jī)研制成功。

但阿斯麥的產(chǎn)品相對(duì)于尼康的全新研發(fā)，屬于改進(jìn)型成熟產(chǎn)品，半導(dǎo)體芯片廠應(yīng)用成本低，而且縮短光波比尼康的效果還好（多縮短25nm）。結(jié)果，沒人愿意買尼康的產(chǎn)品，尼康潰敗由此開始，市場(chǎng)份額被阿斯麥大口吃進(jìn)。

5年后也就是2009年，阿斯麥已經(jīng)占據(jù)70%市場(chǎng)份額，尼康則從行業(yè)老大變成小弟。尼康的潰敗，還間接拉低了日本半導(dǎo)體芯片廠商的競(jìng)爭(zhēng)力，它們基本上都采用尼康的光刻機(jī)。阿斯麥的崛起，則直接帶動(dòng)臺(tái)積電上升，并達(dá)到今天的高度。

“一榮俱榮，一損俱損”，曹雪芹發(fā)現(xiàn)的這條豪門興衰規(guī)律，同樣適合高度耦合的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

倒霉的尼康都沒機(jī)會(huì)當(dāng)小角色

在和阿斯麥關(guān)于“浸潤式”和“干式”投影的技術(shù)路線爭(zhēng)斗中，尼康只是打了一場(chǎng)敗仗，而讓它真正一敗涂地的，還是在EUV光刻機(jī)的研發(fā)中，被美國直接排除在外。

這個(gè)時(shí)間點(diǎn)需要推移到“浸潤式光刻”方案出現(xiàn)之前。

在上面講到的“浸潤式光刻”方案中，光源采用波長為193nm的氟化氬激光。隨著摩爾定律的推進(jìn)，氟化氬激光的潛能很快被“浸潤式光刻”榨干，半導(dǎo)體界需要尋找新的光源。

高功率二氧化碳激光器看起來非常適合，它發(fā)射的極紫外光波長為13.5納米，僅為氟化氬激光193nm的1/14，前途簡(jiǎn)直不可限量。

不過，極紫外光也不好伺候，比如：

容易被許多材料吸收，需要在真空環(huán)境曝光；

真空環(huán)境帶來潔凈度挑戰(zhàn)；

過短波長易產(chǎn)生繞射，進(jìn)而造成掩膜、晶圓邊緣過度曝光，帶來良品率下降問題；

總之，新的光源帶來一大堆新問題，其實(shí)這也是193nm氟化氬激光源一用就是幾十年的原因。但極紫外光誘人的應(yīng)用前景，促使摩爾定律的堅(jiān)定擁護(hù)者Intel早在1997年就開始下注，這也是尼康悲劇的開始，阿斯麥走運(yùn)的起點(diǎn)。

Intel和美國能源部共同發(fā)起成立EUV LLC組織，匯聚了美國頂級(jí)的研究資源和芯片巨頭，包括勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室等三大國家實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合摩托羅拉（當(dāng)時(shí)如日中天）、AMD等企業(yè)，投入2.25億美元資金，集中了數(shù)百位頂尖科學(xué)家，只為一件事：極紫外光刻機(jī)到底可不可行？

考慮到美國光刻機(jī)公司日漸衰落，為避免阿斯麥（佳能當(dāng)時(shí)已排在其后）和尼康中的一家獨(dú)大，英特爾于是邀請(qǐng)阿斯麥和尼康一起加入。

但美國政府不樂意了，擔(dān)心最前沿的技術(shù)落入外國公司手中，因此反對(duì)阿斯麥和尼康加入EUV LLC。從這里也可以看出，美國和它的盟友并不總是掏心掏肺。

阿斯麥對(duì)美國政府許下一大堆承諾后，勉強(qiáng)進(jìn)入了EUV LLC這個(gè)超級(jí)朋友圈當(dāng)一個(gè)小角色。尼康則沒有這么幸運(yùn)，直接被拒絕，連當(dāng)小角色的機(jī)會(huì)都沒有。

美國的“一腳”踢出了競(jìng)爭(zhēng)格局

這次事件對(duì)兩家公司在光刻機(jī)市場(chǎng)的未來發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

尼康等于被排除在極紫外光刻機(jī)門外，被美國一腳踢出了光刻機(jī)未來競(jìng)爭(zhēng)的牌局，否則，在后來“浸入式光刻”技術(shù)上慢一拍后，它還有可能借極紫外光刻機(jī)扳回一局，和阿斯麥繼續(xù)相愛相殺。

美國這一腳，無意中幫助阿斯麥清除了一個(gè)強(qiáng)勁對(duì)手，還使其成為極紫外光刻機(jī)市場(chǎng)的絕對(duì)壟斷者。阿斯麥雖然是EUV LLC中的小配角，但卻享受到其基礎(chǔ)研究成果，同時(shí)在2000年、2013年，分別并購美國光刻機(jī)巨頭SVGL(硅谷光刻集團(tuán))和美國準(zhǔn)分子激光源企業(yè)Cymer，打通了極紫外光刻機(jī)的生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈。美國本來也以國家安全為由百般阻撓阿斯麥?zhǔn)召?，但由于阿斯麥有加入EUV LLC的先例，并且答應(yīng)了一大堆附加條件，收購最終成功落地。

結(jié)果就是，在極紫外光刻機(jī)領(lǐng)域，阿斯麥?zhǔn)俏ㄒ荒軌蛟O(shè)計(jì)和制造的半導(dǎo)體設(shè)備廠商，等于壟斷了這個(gè)超高端市場(chǎng)。

阿斯麥極紫外（EUV）光刻機(jī)每臺(tái)售價(jià)達(dá)到1.2億美元，重達(dá)180噸，零件超過10萬個(gè)，運(yùn)輸時(shí)能裝滿40個(gè)集裝箱，安裝調(diào)試時(shí)間超過一年。明年臺(tái)積電的5nm工藝制程即可用上極紫外光刻機(jī)。圖片來源/阿斯麥官網(wǎng)

這是阿斯麥的客戶最不愿意看到的局面，結(jié)果導(dǎo)致了本文開頭所說的官司：一家韓國公司試圖打破阿斯麥壟斷，幫助其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手XTAL。

當(dāng)然，說阿斯麥僅靠運(yùn)氣贏得今天的地位并不準(zhǔn)確。實(shí)際上，阿斯麥有自己的封神必然律。

窮困逼出的開放式創(chuàng)新

日本一橋大學(xué)創(chuàng)新研究中心的教授中馬宏之曾深入比較研究過阿斯麥和尼康兩家公司，發(fā)現(xiàn)阿斯麥的微影機(jī)零件，90%是外包制造，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于尼康。換句話說，阿斯麥采用的是“無生產(chǎn)工廠模式”，它更多的是設(shè)計(jì)和組裝。

這恰恰就是阿斯麥努力打造的競(jìng)爭(zhēng)力所在。光刻機(jī)需要最前沿的基礎(chǔ)研究支撐，也是目前最頂級(jí)的一種精密機(jī)械，屬于資金、技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)高度密集型產(chǎn)品。而阿斯麥成立時(shí)“要人沒人，要錢沒錢”的窮困狀況，迫使其走上借助外部資源發(fā)展的開放式路徑，而不是像尼康那樣事事包攬。

阿斯麥通過高度外包這種開放式創(chuàng)新，快速集成各領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)（阿斯麥的供應(yīng)商不止供應(yīng)零部件，還供應(yīng)知識(shí)），設(shè)計(jì)和“組裝”出最先進(jìn)的光刻機(jī)，幫助半導(dǎo)體芯片企業(yè)跟上摩爾定律的節(jié)奏，從而甩開競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，贏得市場(chǎng)。

圖片來源/阿斯麥官網(wǎng)

阿斯麥的開放式創(chuàng)新體現(xiàn)在兩方面：

把供應(yīng)商（包括大學(xué)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)）作為研發(fā)伙伴，讓出部分利潤（阿斯麥以很低的價(jià)格賣出設(shè)備）換取供應(yīng)商的知識(shí)；

重大項(xiàng)目和客戶共同介入，并以股權(quán)為紐帶綁定大家的風(fēng)險(xiǎn)和收益，在研發(fā)極紫外光微影量產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備時(shí)，阿斯麥邀請(qǐng)了Intel、臺(tái)積電和三星等三家客戶參與，三家分別投入41億美元、14億美元和9.75億美元入股。客戶入股可以保證最先拿到最新設(shè)備（在芯片行業(yè)，時(shí)間比鉆石還貴重），同時(shí)可以賣出股票獲取投資受益，對(duì)阿斯麥來說，則搶先占領(lǐng)了市場(chǎng)，降低了經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。

阿斯麥的開放式創(chuàng)新在IT界其實(shí)是一種較為普遍的商業(yè)模式，是市場(chǎng)后來者敲碎壟斷門檻的大錘。ARM出道時(shí)，CPU基本被Intel壟斷，于是ARM采取出售IP的商業(yè)模式，將CPU的集成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售環(huán)節(jié)開放，打造出一個(gè)ARM架構(gòu)的超級(jí)生態(tài)圈；安卓面世前，手機(jī)操作系統(tǒng)是諾基亞塞班的天下，于是安卓采用免費(fèi)開放的商業(yè)模式，和蘋果聯(lián)手擊潰諾基亞，稱霸手機(jī)操作系統(tǒng)市場(chǎng)。

阿斯麥能從日美大戶橫行的光刻市場(chǎng)崛起，除了一點(diǎn)運(yùn)氣，還有“窮則思變，變則通，通則達(dá)”的必然律起作用。