佳能尼康，是怎么被ASML甩開(kāi)的

10 月，光刻機大廠(chǎng)佳能（Canon）公司通過(guò)新聞稿宣布，其已經(jīng)開(kāi)始銷(xiāo)售基于「納米印刷」（Nanoprinted lithography）技術(shù)的芯片生產(chǎn)設備 FPA-1200NZ2C。佳能表示，該設備采用不同于復雜光刻技術(shù)的方案，可以制造 5nm 芯片。

消息一出，不少人發(fā)現這種設備已經(jīng)達到了 EUV 光刻機的水平，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，從稱(chēng)霸到被甩開(kāi)，經(jīng)歷了什么？

來(lái)自上個(gè)世紀的光鮮

上世紀末，尼康是當之無(wú)愧的光刻機王者，光刻機市場(chǎng)占有率一度超過(guò) 50%。

半導體誕生于美國，同時(shí)衍生出了當時(shí)的光刻機三巨頭 GCA、優(yōu)特、珀金埃爾默，其中 GCA 造出了第一臺可重復曝光光刻機，在 20 世紀 60 年代占據 60-70% 市場(chǎng)份額。但是隨著(zhù)全球半導體產(chǎn)業(yè)中心的轉移，也就是當年有名的「美日之爭」，日本半導體開(kāi)始崛起，市場(chǎng)份額一度超過(guò)了美國。在這個(gè)背景下，日本光刻機產(chǎn)業(yè)也發(fā)展起來(lái)了，尼康光刻機逐漸超過(guò)美企 GCA。

首先談?wù)勀峥?。尼康的定位比佳能更理想，在光學(xué)和機械方面都擁有專(zhuān)業(yè)知識。自 1925 年以來(lái)，他們一直在銷(xiāo)售醫用光學(xué)顯微鏡，并為天文臺制造大型高精度機械望遠鏡。

佳能在高精度機械方面沒(méi)有尼康的經(jīng)驗。但他們確實(shí)有創(chuàng )業(yè)熱情。早在 1970 年，該公司就開(kāi)始為 IC 行業(yè)開(kāi)發(fā)對準器 Micron 項目。當項目成員來(lái)訪(fǎng)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)競爭力。它的對準器有一些精度問(wèn)題。

VLSI 項目聯(lián)系了佳能并委托使用一種稱(chēng)為接近對準器的對準器。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)，某些機器在此后被使用了數十年。

佳能也希望有機會(huì )開(kāi)發(fā)光刻機。但佳能沒(méi)有資源來(lái)完成這兩個(gè)項目。因此，尼康代替了佳能在 1977 年受委托開(kāi)發(fā)光刻機。他們以前從未做過(guò)這樣的事情，但 VLSI 項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「復仇者聯(lián)盟」的成員。兩家公司并不了解各個(gè)「超級英雄」之間的內部討論。冒險進(jìn)入新行業(yè)和新產(chǎn)品線(xiàn)的公司經(jīng)常面臨一個(gè)困境：「我們如何獲得資金來(lái)開(kāi)發(fā)這個(gè)產(chǎn)品？誰(shuí)來(lái)為我們蹩腳的第一次迭代買(mǎi)單？」

日本政府基本上表示他們將「投資」最終產(chǎn)品。他們愿意為最終產(chǎn)品的過(guò)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、臺積電和三星多年來(lái)貢獻數十億美元來(lái)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，并愿意與供應商密切合作以實(shí)現這一目標。這個(gè)需求是很重要的。

尼康首先從 GCA 購買(mǎi)了一臺機器開(kāi)始進(jìn)行步進(jìn)開(kāi)發(fā)。GCA 將其運送給他們，因為允許向日本出口技術(shù)。尼康將其拆開(kāi)，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。當然，第一個(gè)原型的效果非常糟糕。但 VLSI 項目成員并沒(méi)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。該項目解散后，佳能和尼康現在都擁有了他們知道可以贏(yíng)得市場(chǎng)的產(chǎn)品。

日本市場(chǎng)爆炸式增長(cháng)

超大規模集成電路項目成功啟動(dòng)了日本本土半導體產(chǎn)業(yè)——建造大型工廠(chǎng)來(lái)生產(chǎn)最先進(jìn)的存儲芯片。從 1980 年到 1982 年，日本光刻產(chǎn)業(yè)增長(cháng)了 66%。相比之下，美國同期僅增長(cháng) 10%。

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

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(kāi)發(fā)出能夠達到 2-3 微米設計規則的接近對準儀，震驚了整個(gè)行業(yè)，而許多專(zhuān)家認為這是不可能的。

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

日本市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(cháng)讓美國光刻機制造商措手不及。1981 年是美國經(jīng)濟衰退的一年。GCA 試圖提高產(chǎn)量，但他們唯一的光學(xué)供應商 Carl Zeiss 無(wú)法足夠快地生產(chǎn)鏡頭。隨著(zhù)交貨延誤的時(shí)間不斷延長(cháng)，日本半導體制造商已經(jīng)等不及了。日本自己開(kāi)始做自己的供應商，所以尼康一年內就搶走了 20% 的市場(chǎng)份額。美國各類(lèi)半導體生產(chǎn)設備的市場(chǎng)份額都大幅下降。

戰爭結束了。美國光刻產(chǎn)業(yè)萎縮、消亡。

佳能光刻機始于佳能創(chuàng )始人生產(chǎn)世界上最好的相機的夢(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，佳能將其在半導體光學(xué)技術(shù)方面的實(shí)力運用到了。他們的所有努力都得到了回報，U170mmF1.8 的誕生。為了支持這種獨一無(wú)二的鏡頭的開(kāi)發(fā)和大規模制造，佳能冒險開(kāi)發(fā)半導體光刻設備。佳能需要生產(chǎn)大量具有統一圖案的鏡頭，并通過(guò)光學(xué)方式轉移到晶圓上，以創(chuàng )建半導體集成電路，因此，佳能 PPC-1 于 1970 年誕生。PPC-1 是佳能首款半導體生產(chǎn)鏡頭。它是一款 1:1 投影掩模對準機，可用于 2 英寸晶圓。它需要手動(dòng)對齊。

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，世界上第一臺基于激光的自動(dòng)對準系統。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 5 英寸的高分辨率電路。對能夠支持 6 英寸晶圓的設備的需求促使 MPA-600FA 和 MPA-600Super 的誕生。

1984 年，第一臺佳能步進(jìn)機以 FPA-1500 FA 的名義問(wèn)世。它使用 g 線(xiàn)作為光源，隨后是 1990 年使用 i 線(xiàn)的 FPA-2000i1，然后是 1997 年使用 Krf 準分子激光器的 FPA-3000EX4。

來(lái)源：佳能官網(wǎng)

1984 年，ASML 剛剛成立。步進(jìn)式光刻機的打擊，不甘認輸的它把最后的賭注壓在極紫外光源上，開(kāi)發(fā) EUV 光刻機。ASML 又利用 10 年的時(shí)間，才最終研發(fā)出了 EUV。

爭奪與甩開(kāi)

從 90 年代開(kāi)始，光刻機競爭的主戰場(chǎng)成為了光源波長(cháng)的競爭。光源波長(cháng)從 365nm 降低到了 193nm，對應的制程也從 800~250nm 減小到 130~65nm。隨著(zhù)摩爾定律的推進(jìn)，下一個(gè)節點(diǎn) 157nm 波長(cháng)的光源卻一直沒(méi)做出來(lái)。

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

尼康并沒(méi)有采納這個(gè)原理，因為如果采用就得重新設計整個(gè)系統，設計、調整系統需要花費很長(cháng)時(shí)間，并且當時(shí)的尼康研發(fā)干式 157nm 也已經(jīng)投入了巨額的研發(fā)費用，一時(shí)半會(huì )很難更改研究方向。

2004 年，ASML 和臺積電共同研發(fā)的浸沒(méi)式光刻機誕生。由于這種光刻機可以在成熟的 193nm 設備上進(jìn)行改造，所以設備的穩定性明顯優(yōu)于同期尼康推出的 157nm「干刻」光刻機，也降低了客戶(hù)的開(kāi)銷(xiāo)。這種浸沒(méi)式光刻機也將芯片制程節點(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(kāi)始逆襲，到了 2009 年，它的市場(chǎng)份額已經(jīng)達到了 70%。

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

在 2022 年的全球光刻機市場(chǎng)中，ASML 以其技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)品競爭力在市場(chǎng)上占據了絕對優(yōu)勢，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)份額穩居第二和第三位。這三家廠(chǎng)商合計的市場(chǎng)份額接近 100%，彰顯了它們在光刻機領(lǐng)域的主導地位。

如今，佳能表示，這套生產(chǎn)設備的工作原理和行業(yè)領(lǐng)導者 ASML 的光刻機不同，其并不利用光學(xué)圖像投影的原理將集成電路的微觀(guān)結構轉移到硅晶圓上，而是更類(lèi)似于印刷技術(shù)，直接通過(guò)壓印形成圖案。

具體來(lái)說(shuō)，所謂 NIL，就是在模板上設計并制造好電子回路圖案，通過(guò)像蓋章一樣的壓印技術(shù)，轉移到涂有刻膠的硅基板上，再通過(guò)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(kāi)了 NIL 技術(shù)的研究序幕。

經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，NIL 在晶圓級光學(xué)系統的制作中得到了廣泛應用。

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

從介紹來(lái)看，NIL 技術(shù)完全依賴(lài)物理特性，基于機械復制，不受光衍射現象的限制。因此只要能設計出電路圖案，完全可以實(shí)現低于 5nm 的分辨率。

據佳能介紹，佳能 NIL 技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現最小實(shí)際線(xiàn)寬 14nm 的電路圖案，類(lèi)比我們熟知的 5nm 工藝，而隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，最小有望實(shí)現 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」。事實(shí)上，佳能的 NIL 光刻機已經(jīng)得到了下游客戶(hù)的驗證，包括日系存儲公司鎧俠在內，已經(jīng)將 NIL 技術(shù)運用在 15nm NAND 閃存器上，并計劃在 2025 年推出應用 NIL 技術(shù)的 5nm 芯片。

尼康也在積極拓展大陸市場(chǎng)，為提升光刻機市場(chǎng)實(shí)力，尼康還將推出適應 3D 堆疊結構器件如存儲半導體、圖像傳感器制造需求的光刻機新產(chǎn)品，已提高其在成熟制程設備市場(chǎng)的競爭力。

但如果說(shuō)，佳能尼康是否可以重回王座，還是前途坎坷的。