日本如何贏(yíng)得光刻業(yè)以及美國為何失??？

來(lái)源：本文由半導體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID:ICVIEWS）編譯自asianometry

七年后的 1989 年，日本公司占據了 70% 的市場(chǎng)份額——由兩家光刻巨頭佳能和尼康領(lǐng)銜。美國曾經(jīng)的市場(chǎng)領(lǐng)導者，正在迅速衰落。一個(gè)到 1986 年虧損 1 億美元。另一個(gè)到 1989 年完全退出市場(chǎng)。

日本光刻業(yè)的霸主地位震驚了半導體界?；氐郊业拿绹?，試圖找出哪里出了問(wèn)題。一如既往，答案并非期望的那樣。

本文中我們將看看日本著(zhù)名的跨行業(yè)努力，以及日本如何發(fā)展本土半導體產(chǎn)業(yè)并同時(shí)征服全球光刻市場(chǎng)。

我們的故事始于 50 年代后期的美國。Fairchild 和 Texas Instruments 的科學(xué)家創(chuàng )造了第一個(gè)硅基集成電路并將其商業(yè)化。他們能夠批量生產(chǎn)比以往任何產(chǎn)品都更小、速度更快、能效更高的芯片。

美國政府和軍方立即對這個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)生了興趣。他們?yōu)榘⒉_太空任務(wù)訂購了這些芯片，為民兵-II 洲際導彈訂購了制導計算機。

美國人對更好的芯片的需求是無(wú)法滿(mǎn)足的。巨大的銷(xiāo)量和政府資金推動(dòng)硅谷的先驅們降低成本曲線(xiàn)、提高產(chǎn)量和性能。

于是，美國人率先搶占了硅制造的全球領(lǐng)先地位。

一開(kāi)始，每個(gè)人都在內部制作自己的設備。隨著(zhù)時(shí)間的推移，對更新更好的芯片的需求迫使集成半導體制造商轉向外購更好的設備。

那些制造商意識到外部設備供應商能夠帶來(lái)更多的資源和努力來(lái)解決一個(gè)非常具體、非常專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題。光刻曝光市場(chǎng)以這種方式發(fā)展，各種公司進(jìn)入市場(chǎng)，其中大多數是美國公司。

1973 年，一家名為 Perkin-Elmer 的公司推出了第一臺投影對準器 Micralign。他們根據為空軍研究合同所做的預測工作開(kāi)發(fā)了這個(gè)。

有了它，制造商將成品率從 10% 提高到 70%，這使得該設備的價(jià)格更高。因此，Perkin-Elmer 成為行業(yè)領(lǐng)導者。

投影對準器很棒，但它們有一個(gè)弱點(diǎn)。因為他們將芯片設計投射到整個(gè)晶圓上，所以他們可以投射的細節數量有限。

新一代的光刻工具開(kāi)始出現在市場(chǎng)上，以解決這個(gè)弱點(diǎn)。該工具不是在整個(gè)晶圓上投射，而是一步一步地移動(dòng)。因此得名：Steppers。

1975 年，美國地球物理公司和 GCA（前身為地圖制作公司）收購了一家名為 David Mann 的小型精密電機制造商。使用這項技術(shù)，GCA 能夠在 1977 年向 IBM 運送第一臺商用步進(jìn)電機。

Steppers 提供的缺陷率和成品率優(yōu)于 Perkin-Elmer 投影對準器。然而，他們仍然有兩個(gè)非常明顯的弱點(diǎn)。

第一，他們的吞吐量真的很慢，因為跨過(guò)晶圓需要很長(cháng)時(shí)間。這意味著(zhù)制造商需要購買(mǎi)和使用更多的芯片來(lái)制造相同數量的芯片。

第二，步進(jìn)器每臺成本 500,000 美元，也就是百萬(wàn)美元的一半。這比當時(shí)最好的 Perkin-Elmer 投影對準器的價(jià)格高出 30 多倍。

GCA 的大客戶(hù)——IBM、ATT、Fairchild 和 National Semiconductor——愿意為更好的性能買(mǎi)單。GCA 的收入在 1976 年達到 6200 萬(wàn)美元，這是一個(gè)了不起的成就。但所有其他較小的半導體制造商，包括美國以外的制造商，都受到了打擊。

所以，到目前的情況就是，有一個(gè)市場(chǎng)主導者非常成功但有明顯的缺陷。存在一種性能明顯優(yōu)越的全新技術(shù)，但目前它自身存在重大缺陷，而且成本太高，無(wú)法贏(yíng)得市場(chǎng)。

對于需要價(jià)格和性能完美結合的人來(lái)說(shuō)，這就是一個(gè)市場(chǎng)機會(huì )。但是誰(shuí)能夠滿(mǎn)足這種需求呢？

現在就到日本出場(chǎng)了。整個(gè)1960年代，日本政府推行半導體技術(shù)轉讓政策。如果一家外國公司想進(jìn)入當時(shí)利潤豐厚的日本市場(chǎng)，他們需要先與當地企業(yè)建立合資企業(yè)。本地企業(yè)會(huì )盡可能多地從外國人那里吸收知識，并希望最終能取代他們。

這使得日本半導體市場(chǎng)能夠跟上美國半導體設計和制造實(shí)踐的步伐。但這種大規模的知識轉移也掩蓋了一個(gè)事實(shí)，即日本人自己并沒(méi)有發(fā)明自己的半導體技術(shù)。

當然，日本也有一些成功案例，例如，半導體組裝設備。到目前為止，美國半導體制造商已經(jīng)將他們的低級組裝工作外包到東南亞。

出于政治原因，日本公司無(wú)法效仿，迫使 Shinkawa 和 Disco 等公司制造性能更好的裝配機械，使流程更加自動(dòng)化。這種設備比其他任何設備都好，很快就贏(yíng)得了美國人的市場(chǎng)。

但這些成功是罕見(jiàn)的。事實(shí)上，美國人仍然制造出最好的計算機、最好的芯片和最好的光刻設備。隨著(zhù)對這些物品的需求增加，美國人和日本人之間的距離只會(huì )越來(lái)越大。僅德州儀器在半導體研發(fā)上的投入就超過(guò)了富士通、日立和 NEC 的總和。

在 GCA 和 Perkin-Elmer 的光刻主導地位以及 IBM 的計算機制造主導地位之間，日本在整個(gè) 1970 年代開(kāi)始對其計算機行業(yè)的落后競爭力感到焦慮。

在執政的日本政府內部，日本政界人士聽(tīng)到 IBM 推出“單片機”的消息，日本再次看到他們追趕西方的機會(huì )。

一位日本的政治家橋本富三郎有一句名言：“我們日本有太多的計算機制造商來(lái)應對IBM ……迫切需要重組計算機行業(yè)，建立一個(gè)更統一、更集成的 VLSI 技術(shù)開(kāi)發(fā)組織需要?！?/span>

日本政界向通商產(chǎn)業(yè)省施壓，要求其重組日本的計算機行業(yè)并與西方緊密聯(lián)系。因此，1976 年 VLSI 項目誕生了，VLSI 代表超大規模集成（不要與美國 1978 年同名的 DARPA 項目混淆）。

日本 VLSI 項目的預算總額為 2.81 億美元——其中一半資金來(lái)自政府——并將持續四年。

1980 年的結束日期是經(jīng)過(guò)精心選擇的。這一年，IBM 有望發(fā)布他們的“單片機”（從未面世，僅供參考）。該項目的目標是匯集日本的各種計算機玩家，共同開(kāi)發(fā)下一代半導體器件技術(shù)——VLSI，在這之中他們都會(huì )分享他們學(xué)到的東西。

這些公司是富士通、日立、三菱電機、NEC 和東芝。這個(gè)團隊只有電腦公司，所以像夏普和索尼這樣的消費電子公司被排除在外。日本通商產(chǎn)業(yè)省只希望最好的研發(fā)密集型計算公司參與其中。

這么看有點(diǎn)像日本計算機行業(yè)的“復仇者聯(lián)盟”。他們是不同集團的不同公司，員工通常相互競爭。該項目的總經(jīng)理根橋正人后來(lái)寫(xiě)道，“他們沒(méi)有試圖掩飾他們的敵意；他們討論時(shí)不掩飾他們的私欲?！?/span>

例如，該項目將建立兩種類(lèi)型的實(shí)驗室。一種是核心的“合作實(shí)驗室”，也就是所有成員聚集在一起進(jìn)行基礎研究，這種實(shí)驗室屬于該項目的主要辦公室。另一種是“小組”實(shí)驗室，用來(lái)供各個(gè)公司成員研究應用技術(shù)。

小組實(shí)驗室的選擇沒(méi)有問(wèn)題。但日本芯片“復仇者聯(lián)盟”的五名成員就合作實(shí)驗室的選址爭論了六個(gè)月。它最終被放置在神奈川縣的 NEC 中央實(shí)驗室。

VLSI 項目設立了一個(gè)董事會(huì )，由五家公司的總裁組成。下面是一位常務(wù)董事——前面提到的根橋。在他的領(lǐng)導下是一個(gè)總委員會(huì )，由公司董事組成。在此之下，是一個(gè)運營(yíng)和技術(shù)委員會(huì )。這些委員會(huì )由五家公司各自的部門(mén)負責人組成。

根據技術(shù)委員會(huì )的指導，將從公司借調的100名左右的員工進(jìn)行研究和實(shí)現。關(guān)鍵的是，借調的員工不是由公司選擇的，而是由合作實(shí)驗室的負責人選擇的。該項目有多種研究目標，它們是光刻技術(shù)、晶體技術(shù)、設計技術(shù)、加工技術(shù)、測試技術(shù)和器件制造。他們被分配給各個(gè)公司進(jìn)行工作。

Nebashi 是一名退休的日本通商產(chǎn)業(yè)省官員，在管理國家合作項目方面擁有數十年的經(jīng)驗，他的工作是管理人，他知道把科學(xué)留給科學(xué)家。

Nebashi分享到：“我沒(méi)有干預研究本身。我對該組織最感興趣的是人的問(wèn)題：如何協(xié)調來(lái)自不同公司的研究人員并使他們互動(dòng)。我想讓他們成為好朋友，互相交流，敞開(kāi)心扉?！?/span>

“所以，我所做的是典型的日本方式：這四年我所做的就是盡可能多地和他們一起喝酒。我想了解他們在那些場(chǎng)合的抱怨，并試圖消除問(wèn)題?！?/span>

但如果認為根橋是憤怒員工的醉酒治療師，那就大錯特錯了。他體諒人們的感受，但推動(dòng)他們堅持到底，實(shí)現項目的使命。當問(wèn)題出現時(shí)，他把解決問(wèn)題作為自己的工作。

Nebashi 實(shí)現了他的目標：不同的研究人員最終成為了朋友。1980 年 3 月項目解散后，他們舉行了盛大的歡送會(huì )。昂貴的設備被公平地分配了，人們甚至開(kāi)始了校友通訊。

整個(gè)項目將在所有技術(shù)研究目標中產(chǎn)生一千多項新專(zhuān)利。它極大地提升了日本對半導體及其制造的本土知識，使他們不僅僅是快速追隨者。

競爭對手共同努力實(shí)現更大的目標，這些專(zhuān)利中有 16% 是由競爭公司的成員作為聯(lián)合發(fā)明提交的，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

至關(guān)重要的是，這些專(zhuān)利中的很多都出現在單個(gè)公司，知道他們有問(wèn)題但沒(méi)有資源自己解決所有問(wèn)題的領(lǐng)域。例如，在加工過(guò)程中保持硅片平整的工作。

除此之外，VLSI 項目還有另一大好處。在六大研究目標中，該項目在光刻技術(shù)方面走得最遠。在四年結束時(shí)，該項目建立了三種使用電子束的光刻技術(shù)，達到了 1 微米或更小的分辨率。

隨著(zhù)研究聯(lián)盟在光刻方面取得進(jìn)展，他們開(kāi)始調試供應商的設備。光刻是一項多學(xué)科的工作。為了讓一家公司真正擅長(cháng)于此，他們需要擅長(cháng)三個(gè)不同的領(lǐng)域：高分辨率光學(xué)、先進(jìn)的電子束或 X 射線(xiàn)光刻技術(shù)和高精度機械。VLSI 項目成員最終決定與幾家具有這些特殊經(jīng)驗的日本公司合作。他們的名字是佳能和尼康。

尼康的定位比佳能更理想，它在光學(xué)和機械方面都有專(zhuān)長(cháng)。自 1925 年以來(lái)，他們一直在銷(xiāo)售醫用顯微鏡進(jìn)行光學(xué)檢查，并為天文臺制造大型望遠鏡進(jìn)行高精度機械檢查。

佳能沒(méi)有尼康在高精度機械方面的經(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（美光項目）。

當項目成員來(lái)訪(fǎng)時(shí)，他們的第一款矯正器 PLA 系列已經(jīng)上市三年了。但第一款產(chǎn)品——1973 年推出的 PLA 300沒(méi)有市場(chǎng)競爭力，因為佳能工程師在高精度機械方面存在缺陷。它給對準器留下了精度問(wèn)題。

VLSI 項目聯(lián)系了佳能并委托了一種稱(chēng)為接近式對準器的對準器。這使用了一種較舊的光刻技術(shù)，該技術(shù)在光掩模和基板之間有間隙。PLA-500 和 600 系列的勞動(dòng)成果大受歡迎，某些機器此后使用了幾十年。

佳能也希望有機會(huì )在步進(jìn)電機上工作。如果您還記得前文提到過(guò)，步進(jìn)器是 GCA 的下一代設備，價(jià)格昂貴。但佳能沒(méi)有資源同時(shí)進(jìn)行這兩個(gè)項目。因此，尼康于 1977 年受委托開(kāi)發(fā)光刻步進(jìn)機。他們以前從未做過(guò)這樣的事情，但 VLSI 項目成員與他們密切合作，共同滿(mǎn)足需求。

必須指出的是，佳能和尼康不屬于日本超大規模集成電路“復仇者聯(lián)盟”。兩家公司并不知道各個(gè)企業(yè)之間的內部討論。并且 VLSI 項目從未告訴他們將為他們構建的任何東西推向世界市場(chǎng)。

該項目為他們所做的是雙重的。首先，他們是佳能或尼康產(chǎn)品的基礎客戶(hù)。涉足新行業(yè)和新產(chǎn)品線(xiàn)的公司常常面臨兩難境地：“我們如何獲得開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品的資金？誰(shuí)來(lái)為我們糟糕的第一次迭代買(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)品的糟糕的第一次、第二次和第三次迭代買(mǎi)單。這很像英特爾、臺積電和三星多年來(lái)捐助數十億美元資助 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。這很重要。誰(shuí)曾與不知道客戶(hù)在尋找什么的客戶(hù)合作過(guò)？

尼康首先從 GCA 購買(mǎi)了一臺機器，開(kāi)始了步進(jìn)電機的開(kāi)發(fā)。GCA 將其運送給他們是因為允許向日本出口技術(shù)。尼康將它拆開(kāi)，研究每一件，然后拼湊出一個(gè)以相同方式工作的尼康原型。

自然地，第一個(gè)原型非常有效。但是，VLSI 項目成員并沒(méi)有將整個(gè)事情扔棄之腦后，而是致力于與公司密切合作，使其變得更好。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。

VLSI 項目成功啟動(dòng)了日本的本土半導體產(chǎn)業(yè)——建造大型工廠(chǎng)來(lái)制造最先進(jìn)的存儲芯片。從 1980 年到 1982 年，日本的光刻工業(yè)增長(cháng)了 66%。相比之下，美國同期僅增長(cháng)了 10%。

日本公司利用他們在優(yōu)化工業(yè)和制造工作流程方面的技能，迅速躋身市場(chǎng)領(lǐng)先地位——在 64kb DRAM 方面擊敗了美國同行。但日本的工業(yè)通過(guò)效仿西方的做法而獲勝，而且要好得多。

光刻也是如此，日本人能夠以更優(yōu)惠的價(jià)格讓舊技術(shù)走得更遠。佳能開(kāi)發(fā)出能夠達到 2-3 微米設計規則的接近式對準器，震驚了整個(gè)行業(yè)，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)布了他們在 VLSI 項目中的成果：NSR-1010G 步進(jìn)器。第一批客戶(hù)是 NEC 和東芝，他們發(fā)現它非常適合他們目前的生產(chǎn)線(xiàn)。

日本市場(chǎng)的爆發(fā)式增長(cháng)讓美國光刻廠(chǎng)商措手不及。1981 年是美國經(jīng)濟衰退的一年，美國人不適應市場(chǎng)——依賴(lài)日本貿易公司獲取市場(chǎng)信息。

GCA 試圖提高他們的產(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。由于交貨延遲不斷，日本半導體制造商等不及了。尼康在一年內搶走了 20% 的市場(chǎng)份額。美國每類(lèi)半導體生產(chǎn)設備的市場(chǎng)份額都崩潰了，美國的光刻工業(yè)萎縮并消亡。

筆者認為看到此篇文章的人在非常仔細地審視這段歷史，以尋找對現在和未來(lái)的洞察力。也許，關(guān)于東亞某處正在進(jìn)行的另一種光刻情況。但筆者認為不需要這樣做，現在企業(yè)不一樣、市場(chǎng)情況不盡相同，最重要的是，技術(shù)遠非相同。

日本的勝利并不完整。因為眾所周知，它不會(huì )持續很長(cháng)時(shí)間。佳能和尼康無(wú)法保持其在光刻市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。日本半導體市場(chǎng)將在 80 年代末和 90 年代崩潰。

美國人對他們失去市場(chǎng)領(lǐng)導地位備受打擊，投入研究開(kāi)發(fā)革命性的半導體生產(chǎn)技術(shù)和應用。他們非常喜歡 VLSI 項目的想法，以至于他們制作了自己的 SEMATECH。在那里，他們偶然發(fā)現了下一代光刻技術(shù)：EUV。

至此，美國的光刻業(yè)已不復存在。因此，SEMATECH 和政府轉向了下一個(gè)最佳替代方案：歐洲一家名為 ASML 的小型后起之秀。