佳能尼康，是怎么被ASML甩開的

10 月，光刻機大廠佳能（Canon）公司通過新聞稿宣布，其已經開始銷售基于「納米印刷」（Nanoprinted lithography）技術的芯片生產設備 FPA-1200NZ2C。佳能表示，該設備采用不同于復雜光刻技術的方案，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，從稱霸到被甩開，經歷了什么？

來自上個世紀的光鮮

上世紀末，尼康是當之無愧的光刻機王者，光刻機市場占有率一度超過 50%。

半導體誕生于美國，同時衍生出了當時的光刻機三巨頭 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% 市場份額。但是隨著全球半導體產業(yè)中心的轉移，也就是當年有名的「美日之爭」，日本半導體開始崛起，市場份額一度超過了美國。在這個背景下，日本光刻機產業(yè)也發(fā)展起來了，尼康光刻機逐漸超過美企 GCA。

首先談談尼康。尼康的定位比佳能更理想，在光學和機械方面都擁有專業(yè)知識。自 1925 年以來，他們一直在銷售醫(yī)用光學顯微鏡，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有尼康的經驗。但他們確實有創(chuàng)業(yè)熱情。早在 1970 年，該公司就開始為 IC 行業(yè)開發(fā)對準器 Micron 項目。當項目成員來訪佳能的時候，他們的第一款矯正器 PLA 系列已經上市三年了。但由于佳能工程師在高精度機械方面的缺陷，首款產品 1973 年推出的 PLA 300 并不具有市場競爭力。它的對準器有一些精度問題。

VLSI 項目聯系了佳能并委托使用一種稱為接近對準器的對準器。這使用了一種較舊的光刻技術，在光掩模和基板之間有間隙。這一勞動成果，PLA-500 和 600 系列，引起了巨大的轟動，某些機器在此后被使用了數十年。

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

事實上，佳能和尼康并不是日本 VLSI「復仇者聯盟」的成員。兩家公司并不了解各個「超級英雄」之間的內部討論。冒險進入新行業(yè)和新產品線的公司經常面臨一個困境：「我們如何獲得資金來開發(fā)這個產品？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」最終產品。他們愿意為最終產品的過程中蹩腳的第一次、第二次和第三次迭代付出代價。這很像英特爾、臺積電和三星多年來貢獻數十億美元來資助 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，并愿意與供應商密切合作以實現這一目標。這個需求是很重要的。

尼康首先從 GCA 購買了一臺機器開始進行步進開發(fā)。GCA 將其運送給他們，因為允許向日本出口技術。尼康將其拆開，研究了每一部分，然后拼湊了一個以相同方式工作的尼康原型。當然，第一個原型的效果非常糟糕。但 VLSI 項目成員并沒有將整個事情放棄，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得市場的產品。

日本市場爆炸式增長

超大規(guī)模集成電路項目成功啟動了日本本土半導體產業(yè)——建造大型工廠來生產最先進的存儲芯片。從 1980 年到 1982 年，日本光刻產業(yè)增長了 66%。相比之下，美國同期僅增長 10%。

日本公司利用其優(yōu)化工業(yè)和制造工作流程的技能，迅速占據市場領先地位，比如說在 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)惠的價格使成熟技術得到了更廣闊的市場。佳能開發(fā)出能夠達到 2-3 微米設計規(guī)則的接近對準儀，震驚了整個行業(yè)，而許多專家認為這是不可能的。

然后在 1980 年，尼康向市場發(fā)布了 VLSI 項目的工作成果：NSR-1010G 步進機。第一批客戶是 NEC 和東芝，他們發(fā)現它非常適合他們當前的生產線。

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

戰(zhàn)爭結束了。美國光刻產業(yè)萎縮、消亡。

佳能光刻機始于佳能創(chuàng)始人生產世界上最好的相機的夢想。要做到這一點，他們知道積極的光學技術是關鍵。1965 年，佳能將其在半導體光學技術方面的實力運用到了。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二的鏡頭的開發(fā)和大規(guī)模制造，佳能冒險開發(fā)半導體光刻設備。佳能需要生產大量具有統一圖案的鏡頭，并通過光學方式轉移到晶圓上，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。它需要手動對齊。

1974 年，PLA-300F 誕生。它支持自動晶圓進給，并且可以比 PPC-1 更高的速度進行生產。

1977 年，佳能推出了 PLA-500FA，世界上第一臺基于激光的自動對準系統。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，第一臺佳能步進機以 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 準分子激光器的 FPA-3000EX4。

來源：佳能官網

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

爭奪與甩開

從 90 年代開始，光刻機競爭的主戰(zhàn)場成為了光源波長的競爭。光源波長從 365nm 降低到了 193nm，對應的制程也從 800~250nm 減小到 130~65nm。隨著摩爾定律的推進，下一個節(jié)點 157nm 波長的光源卻一直沒做出來。

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

尼康并沒有采納這個原理，因為如果采用就得重新設計整個系統，設計、調整系統需要花費很長時間，并且當時的尼康研發(fā)干式 157nm 也已經投入了巨額的研發(fā)費用，一時半會很難更改研究方向。

2004 年，ASML 和臺積電共同研發(fā)的浸沒式光刻機誕生。由于這種光刻機可以在成熟的 193nm 設備上進行改造，所以設備的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于同期尼康推出的 157nm「干刻」光刻機，也降低了客戶的開銷。這種浸沒式光刻機也將芯片制程節(jié)點進一步提高，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，它的市場份額已經達到了 70%。

到了 2007 年，浸沒式光刻機已經成為 45nm 以下芯片制成的主流選擇。不過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。尼康在此關鍵節(jié)點上由于錯誤的判斷，短短幾年時間就痛失了行業(yè)領先地位，不過多年的老大技術底蘊還是有的。尼康后來也隨大流搞了浸沒式光刻機，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中，ASML 以其技術優(yōu)勢和產品競爭力在市場上占據了絕對優(yōu)勢，獲得了 82.4% 的市場份額。佳能和尼康分別以 10.2% 和 7.65% 的市場份額穩(wěn)居第二和第三位。這三家廠商合計的市場份額接近 100%，彰顯了它們在光刻機領域的主導地位。

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

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

經過 20 多年的發(fā)展，NIL 在晶圓級光學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 技術完全依賴物理特性，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，完全可以實現低于 5nm 的分辨率。

據佳能介紹，佳能 NIL 技術已經可以實現最小實際線寬 14nm 的電路圖案，類比我們熟知的 5nm 工藝，而隨著技術進一步改進，最小有望實現 10nm 的電路圖案，也就是 2nm 工藝。

因此目前搭載最新 NIL 技術的 FPA-1200NZ2C，自然成了外界口中媲美 ASML 的「5nm 光刻機」。事實上，佳能的 NIL 光刻機已經得到了下游客戶的驗證，包括日系存儲公司鎧俠在內，已經將 NIL 技術運用在 15nm NAND 閃存器上，并計劃在 2025 年推出應用 NIL 技術的 5nm 芯片。

尼康也在積極拓展大陸市場，為提升光刻機市場實力，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品，已提高其在成熟制程設備市場的競爭力。

但如果說，佳能尼康是否可以重回王座，還是前途坎坷的。