佳能尼康，是怎么被ASML甩開的

10 月，光刻機(jī)大廠佳能（Canon）公司通過新聞稿宣布，其已經(jīng)開始銷售基于「納米印刷」（Nanoprinted lithography）技術(shù)的芯片生產(chǎn)設(shè)備 FPA-1200NZ2C。佳能表示，該設(shè)備采用不同于復(fù)雜光刻技術(shù)的方案，可以制造 5nm 芯片。

消息一出，不少人發(fā)現(xiàn)這種設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了 EUV 光刻機(jī)的水平，甚至將顛覆行業(yè)巨頭 ASML。自從 ASML 成功取代尼康佳能，成為高端光刻機(jī)的唯一王者之后，這還是第一次傳出這么震撼的消息。

日本的光刻機(jī)，從稱霸到被甩開，經(jīng)歷了什么？

來自上個(gè)世紀(jì)的光鮮

上世紀(jì)末，尼康是當(dāng)之無愧的光刻機(jī)王者，光刻機(jī)市場(chǎng)占有率一度超過 50%。

半導(dǎo)體誕生于美國(guó)，同時(shí)衍生出了當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)三巨頭 GCA、優(yōu)特、珀金埃爾默，其中 GCA 造出了第一臺(tái)可重復(fù)曝光光刻機(jī)，在 20 世紀(jì) 60 年代占據(jù) 60-70% 市場(chǎng)份額。但是隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中心的轉(zhuǎn)移，也就是當(dāng)年有名的「美日之爭(zhēng)」，日本半導(dǎo)體開始崛起，市場(chǎng)份額一度超過了美國(guó)。在這個(gè)背景下，日本光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也發(fā)展起來了，尼康光刻機(jī)逐漸超過美企 GCA。

首先談?wù)勀峥怠Ｄ峥档亩ㄎ槐燃涯芨硐?，在光學(xué)和機(jī)械方面都擁有專業(yè)知識(shí)。自 1925 年以來，他們一直在銷售醫(yī)用光學(xué)顯微鏡，并為天文臺(tái)制造大型高精度機(jī)械望遠(yuǎn)鏡。

佳能在高精度機(jī)械方面沒有尼康的經(jīng)驗(yàn)。但他們確實(shí)有創(chuàng)業(yè)熱情。早在 1970 年，該公司就開始為 IC 行業(yè)開發(fā)對(duì)準(zhǔn)器 Micron 項(xiàng)目。當(dāng)項(xiàng)目成員來訪佳能的時(shí)候，他們的第一款矯正器 PLA 系列已經(jīng)上市三年了。但由于佳能工程師在高精度機(jī)械方面的缺陷，首款產(chǎn)品 1973 年推出的 PLA 300 并不具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。它的對(duì)準(zhǔn)器有一些精度問題。

VLSI 項(xiàng)目聯(lián)系了佳能并委托使用一種稱為接近對(duì)準(zhǔn)器的對(duì)準(zhǔn)器。這使用了一種較舊的光刻技術(shù)，在光掩模和基板之間有間隙。這一勞動(dòng)成果，PLA-500 和 600 系列，引起了巨大的轟動(dòng)，某些機(jī)器在此后被使用了數(shù)十年。

佳能也希望有機(jī)會(huì)開發(fā)光刻機(jī)。但佳能沒有資源來完成這兩個(gè)項(xiàng)目。因此，尼康代替了佳能在 1977 年受委托開發(fā)光刻機(jī)。他們以前從未做過這樣的事情，但 VLSI 項(xiàng)目成員在需求方面與他們密切合作。

事實(shí)上，佳能和尼康并不是日本 VLSI「復(fù)仇者聯(lián)盟」的成員。兩家公司并不了解各個(gè)「超級(jí)英雄」之間的內(nèi)部討論。冒險(xiǎn)進(jìn)入新行業(yè)和新產(chǎn)品線的公司經(jīng)常面臨一個(gè)困境：「我們?nèi)绾潍@得資金來開發(fā)這個(gè)產(chǎn)品？誰來為我們蹩腳的第一次迭代買單？」

日本政府基本上表示他們將「投資」最終產(chǎn)品。他們?cè)敢鉃樽罱K產(chǎn)品的過程中蹩腳的第一次、第二次和第三次迭代付出代價(jià)。這很像英特爾、臺(tái)積電和三星多年來貢獻(xiàn)數(shù)十億美元來資助 ASML 艱難的 EUV 商業(yè)化之旅。

其次，VLSI 成員明確提出了他們的需求，并愿意與供應(yīng)商密切合作以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這個(gè)需求是很重要的。

尼康首先從 GCA 購(gòu)買了一臺(tái)機(jī)器開始進(jìn)行步進(jìn)開發(fā)。GCA 將其運(yùn)送給他們，因?yàn)樵试S向日本出口技術(shù)。尼康將其拆開，研究了每一部分，然后拼湊了一個(gè)以相同方式工作的尼康原型。當(dāng)然，第一個(gè)原型的效果非常糟糕。但 VLSI 項(xiàng)目成員并沒有將整個(gè)事情放棄，而是致力于與公司密切合作，以使其變得更好。該項(xiàng)目解散后，佳能和尼康現(xiàn)在都擁有了他們知道可以贏得市場(chǎng)的產(chǎn)品。

日本市場(chǎng)爆炸式增長(zhǎng)

超大規(guī)模集成電路項(xiàng)目成功啟動(dòng)了日本本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)——建造大型工廠來生產(chǎn)最先進(jìn)的存儲(chǔ)芯片。從 1980 年到 1982 年，日本光刻產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)了 66%。相比之下，美國(guó)同期僅增長(zhǎng) 10%。

日本公司利用其優(yōu)化工業(yè)和制造工作流程的技能，迅速占據(jù)市場(chǎng)領(lǐng)先地位，比如說在 64kb DRAM 方面擊敗美國(guó)同行。

光刻也是如此。日本人能夠以更優(yōu)惠的價(jià)格使成熟技術(shù)得到了更廣闊的市場(chǎng)。佳能開發(fā)出能夠達(dá)到 2-3 微米設(shè)計(jì)規(guī)則的接近對(duì)準(zhǔn)儀，震驚了整個(gè)行業(yè)，而許多專家認(rèn)為這是不可能的。

然后在 1980 年，尼康向市場(chǎng)發(fā)布了 VLSI 項(xiàng)目的工作成果：NSR-1010G 步進(jìn)機(jī)。第一批客戶是 NEC 和東芝，他們發(fā)現(xiàn)它非常適合他們當(dāng)前的生產(chǎn)線。

日本市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)讓美國(guó)光刻機(jī)制造商措手不及。1981 年是美國(guó)經(jīng)濟(jì)衰退的一年。GCA 試圖提高產(chǎn)量，但他們唯一的光學(xué)供應(yīng)商 Carl Zeiss 無法足夠快地生產(chǎn)鏡頭。隨著交貨延誤的時(shí)間不斷延長(zhǎng)，日本半導(dǎo)體制造商已經(jīng)等不及了。日本自己開始做自己的供應(yīng)商，所以尼康一年內(nèi)就搶走了 20% 的市場(chǎng)份額。美國(guó)各類半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的市場(chǎng)份額都大幅下降。

戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束了。美國(guó)光刻產(chǎn)業(yè)萎縮、消亡。

佳能光刻機(jī)始于佳能創(chuàng)始人生產(chǎn)世界上最好的相機(jī)的夢(mèng)想。要做到這一點(diǎn)，他們知道積極的光學(xué)技術(shù)是關(guān)鍵。1965 年，佳能將其在半導(dǎo)體光學(xué)技術(shù)方面的實(shí)力運(yùn)用到了。他們的所有努力都得到了回報(bào)，U170mmF1.8 的誕生。為了支持這種獨(dú)一無二的鏡頭的開發(fā)和大規(guī)模制造，佳能冒險(xiǎn)開發(fā)半導(dǎo)體光刻設(shè)備。佳能需要生產(chǎn)大量具有統(tǒng)一圖案的鏡頭，并通過光學(xué)方式轉(zhuǎn)移到晶圓上，以創(chuàng)建半導(dǎo)體集成電路，因此，佳能 PPC-1 于 1970 年誕生。PPC-1 是佳能首款半導(dǎo)體生產(chǎn)鏡頭。它是一款 1:1 投影掩模對(duì)準(zhǔn)機(jī)，可用于 2 英寸晶圓。它需要手動(dòng)對(duì)齊。

1974 年，PLA-300F 誕生。它支持自動(dòng)晶圓進(jìn)給，并且可以比 PPC-1 更高的速度進(jìn)行生產(chǎn)。

1977 年，佳能推出了 PLA-500FA，世界上第一臺(tái)基于激光的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。此后不久，MPA-500FAb 誕生了。MPA-500FAb 使用鏡面投影成功創(chuàng)建了高達(dá) 5 英寸的高分辨率電路。對(duì)能夠支持 6 英寸晶圓的設(shè)備的需求促使 MPA-600FA 和 MPA-600Super 的誕生。

1984 年，第一臺(tái)佳能步進(jìn)機(jī)以 FPA-1500 FA 的名義問世。它使用 g 線作為光源，隨后是 1990 年使用 i 線的 FPA-2000i1，然后是 1997 年使用 Krf 準(zhǔn)分子激光器的 FPA-3000EX4。

來源：佳能官網(wǎng)

1984 年，ASML 剛剛成立。步進(jìn)式光刻機(jī)的打擊，不甘認(rèn)輸?shù)乃炎詈蟮馁€注壓在極紫外光源上，開發(fā) EUV 光刻機(jī)。ASML 又利用 10 年的時(shí)間，才最終研發(fā)出了 EUV。

爭(zhēng)奪與甩開

從 90 年代開始，光刻機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)成為了光源波長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。光源波長(zhǎng)從 365nm 降低到了 193nm，對(duì)應(yīng)的制程也從 800~250nm 減小到 130~65nm。隨著摩爾定律的推進(jìn)，下一個(gè)節(jié)點(diǎn) 157nm 波長(zhǎng)的光源卻一直沒做出來。

到了 2002 年 7 月，臺(tái)積電的林本堅(jiān)博士在布魯塞爾舉辦的 157nm 微影技術(shù)研討會(huì)上提出了「浸潤(rùn)原理」的專題演講。在傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中，鏡頭與光刻膠之間的介質(zhì)是空氣，林本堅(jiān)提出的這種方法就是在光刻膠上方加一層水，利用光通過液體介質(zhì)后波長(zhǎng)縮短來提高分辨率，這個(gè)方法后來被稱為「浸沒式光刻」，采用這種方法能夠在不改變光刻機(jī)波長(zhǎng)的情況下做出等效 134nm 的波長(zhǎng)。

尼康并沒有采納這個(gè)原理，因?yàn)槿绻捎镁偷弥匦略O(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)、調(diào)整系統(tǒng)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，并且當(dāng)時(shí)的尼康研發(fā)干式 157nm 也已經(jīng)投入了巨額的研發(fā)費(fèi)用，一時(shí)半會(huì)很難更改研究方向。

2004 年，ASML 和臺(tái)積電共同研發(fā)的浸沒式光刻機(jī)誕生。由于這種光刻機(jī)可以在成熟的 193nm 設(shè)備上進(jìn)行改造，所以設(shè)備的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于同期尼康推出的 157nm「干刻」光刻機(jī)，也降低了客戶的開銷。這種浸沒式光刻機(jī)也將芯片制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步提高，通?？梢宰?45nm 到 7nm 的芯片了，頂尖高端的能做到 5nm。ASML 便從 2004 年開始逆襲，到了 2009 年，它的市場(chǎng)份額已經(jīng)達(dá)到了 70%。

到了 2007 年，浸沒式光刻機(jī)已經(jīng)成為 45nm 以下芯片制成的主流選擇。不過這種光刻機(jī)還是使用的 DUV，即深紫外光源，所以都屬于 DUV 光刻機(jī)。尼康在此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上由于錯(cuò)誤的判斷，短短幾年時(shí)間就痛失了行業(yè)領(lǐng)先地位，不過多年的老大技術(shù)底蘊(yùn)還是有的。尼康后來也隨大流搞了浸沒式光刻機(jī)，最新的液浸式掃描光刻機(jī) NSR-S635E，能達(dá)到 5nm 制程，可以與 ASML 的高端 DUV 光刻機(jī) NXT2000i 一較高下。

在 2022 年的全球光刻機(jī)市場(chǎng)中，ASML 以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力在市場(chǎng)上占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，獲得了 82.4% 的市場(chǎng)份額。佳能和尼康分別以 10.2% 和 7.65% 的市場(chǎng)份額穩(wěn)居第二和第三位。這三家廠商合計(jì)的市場(chǎng)份額接近 100%，彰顯了它們?cè)诠饪虣C(jī)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

如今，佳能表示，這套生產(chǎn)設(shè)備的工作原理和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者 ASML 的光刻機(jī)不同，其并不利用光學(xué)圖像投影的原理將集成電路的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，而是更類似于印刷技術(shù)，直接通過壓印形成圖案。

具體來說，所謂 NIL，就是在模板上設(shè)計(jì)并制造好電子回路圖案，通過像蓋章一樣的壓印技術(shù)，轉(zhuǎn)移到涂有刻膠的硅基板上，再通過刻膠固化使模板脫落，從而完成整個(gè)完整的電路回路。1995 年，華裔科學(xué)家周郁教授首次提出納米壓印概念，從此揭開了 NIL 技術(shù)的研究序幕。

經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，NIL 在晶圓級(jí)光學(xué)系統(tǒng)的制作中得到了廣泛應(yīng)用。

到了 2014 年，佳能收購(gòu)了一家名為 MII 的美國(guó)納米壓印基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)公司，從而開始了十多年的研究之路。

從介紹來看，NIL 技術(shù)完全依賴物理特性，基于機(jī)械復(fù)制，不受光衍射現(xiàn)象的限制。因此只要能設(shè)計(jì)出電路圖案，完全可以實(shí)現(xiàn)低于 5nm 的分辨率。

據(jù)佳能介紹，佳能 NIL 技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)最小實(shí)際線寬 14nm 的電路圖案，類比我們熟知的 5nm 工藝，而隨著技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，最小有望實(shí)現(xiàn) 10nm 的電路圖案，也就是 2nm 工藝。

因此目前搭載最新 NIL 技術(shù)的 FPA-1200NZ2C，自然成了外界口中媲美 ASML 的「5nm 光刻機(jī)」。事實(shí)上，佳能的 NIL 光刻機(jī)已經(jīng)得到了下游客戶的驗(yàn)證，包括日系存儲(chǔ)公司鎧俠在內(nèi)，已經(jīng)將 NIL 技術(shù)運(yùn)用在 15nm NAND 閃存器上，并計(jì)劃在 2025 年推出應(yīng)用 NIL 技術(shù)的 5nm 芯片。

尼康也在積極拓展大陸市場(chǎng)，為提升光刻機(jī)市場(chǎng)實(shí)力，尼康還將推出適應(yīng) 3D 堆疊結(jié)構(gòu)器件如存儲(chǔ)半導(dǎo)體、圖像傳感器制造需求的光刻機(jī)新產(chǎn)品，已提高其在成熟制程設(shè)備市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

但如果說，佳能尼康是否可以重回王座，還是前途坎坷的。