日本如何贏得光刻業(yè)以及美國為何失??？

來源：本文由半導(dǎo)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(jù)了 70% 的市場份額——由兩家光刻巨頭佳能和尼康領(lǐng)銜。美國曾經(jīng)的市場領(lǐng)導(dǎo)者，正在迅速衰落。一個到 1986 年虧損 1 億美元。另一個到 1989 年完全退出市場。

日本光刻業(yè)的霸主地位震驚了半導(dǎo)體界?；氐郊业拿绹耍噲D找出哪里出了問題。一如既往，答案并非期望的那樣。

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

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市場產(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(dǎo)彈訂購了制導(dǎo)計算機(jī)。

美國人對更好的芯片的需求是無法滿足的。巨大的銷量和政府資金推動硅谷的先驅(qū)們降低成本曲線、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。

一開始，每個人都在內(nèi)部制作自己的設(shè)備。隨著時間的推移，對更新更好的芯片的需求迫使集成半導(dǎo)體制造商轉(zhuǎn)向外購更好的設(shè)備。

那些制造商意識到外部設(shè)備供應(yīng)商能夠帶來更多的資源和努力來解決一個非常具體、非常專業(yè)的問題。光刻曝光市場以這種方式發(fā)展，各種公司進(jìn)入市場，其中大多數(shù)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(zhǔn)器 Micralign。他們根據(jù)為空軍研究合同所做的預(yù)測工作開發(fā)了這個。

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

投影對準(zhǔn)器很棒，但它們有一個弱點。因為他們將芯片設(shè)計投射到整個晶圓上，所以他們可以投射的細(xì)節(jié)數(shù)量有限。

新一代的光刻工具開始出現(xiàn)在市場上，以解決這個弱點。該工具不是在整個晶圓上投射，而是一步一步地移動。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(jī)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(jī)。

Steppers 提供的缺陷率和成品率優(yōu)于 Perkin-Elmer 投影對準(zhǔn)器。然而，他們?nèi)匀挥袃蓚€非常明顯的弱點。

第一，他們的吞吐量真的很慢，因為跨過晶圓需要很長時間。這意味著制造商需要購買和使用更多的芯片來制造相同數(shù)量的芯片。

第二，步進(jìn)器每臺成本 500,000 美元，也就是百萬美元的一半。這比當(dāng)時最好的 Perkin-Elmer 投影對準(zhǔn)器的價格高出 30 多倍。

GCA 的大客戶——IBM、ATT、Fairchild 和 National Semiconductor——愿意為更好的性能買單。GCA 的收入在 1976 年達(dá)到 6200 萬美元，這是一個了不起的成就。但所有其他較小的半導(dǎo)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，有一個市場主導(dǎo)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，無法贏得市場。

對于需要價格和性能完美結(jié)合的人來說，這就是一個市場機(jī)會。但是誰能夠滿足這種需求呢？

現(xiàn)在就到日本出場了。整個1960年代，日本政府推行半導(dǎo)體技術(shù)轉(zhuǎn)讓政策。如果一家外國公司想進(jìn)入當(dāng)時利潤豐厚的日本市場，他們需要先與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)建立合資企業(yè)。本地企業(yè)會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(dǎo)體市場能夠跟上美國半導(dǎo)體設(shè)計和制造實踐的步伐。但這種大規(guī)模的知識轉(zhuǎn)移也掩蓋了一個事實，即日本人自己并沒有發(fā)明自己的半導(dǎo)體技術(shù)。

當(dāng)然，日本也有一些成功案例，例如，半導(dǎo)體組裝設(shè)備。到目前為止，美國半導(dǎo)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，日本公司無法效仿，迫使 Shinkawa 和 Disco 等公司制造性能更好的裝配機(jī)械，使流程更加自動化。這種設(shè)備比其他任何設(shè)備都好，很快就贏得了美國人的市場。

但這些成功是罕見的。事實上，美國人仍然制造出最好的計算機(jī)、最好的芯片和最好的光刻設(shè)備。隨著對這些物品的需求增加，美國人和日本人之間的距離只會越來越大。僅德州儀器在半導(dǎo)體研發(fā)上的投入就超過了富士通、日立和 NEC 的總和。

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

在執(zhí)政的日本政府內(nèi)部，日本政界人士聽到 IBM 推出“單片機(jī)”的消息，日本再次看到他們追趕西方的機(jī)會。

一位日本的政治家橋本富三郎有一句名言：“我們?nèi)毡居刑嗟挠嬎銠C(jī)制造商來應(yīng)對IBM ……迫切需要重組計算機(jī)行業(yè)，建立一個更統(tǒng)一、更集成的 VLSI 技術(shù)開發(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(jī)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(guī)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(yù)算總額為 2.81 億美元——其中一半資金來自政府——并將持續(xù)四年。

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

這些公司是富士通、日立、三菱電機(jī)、NEC 和東芝。這個團(tuán)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。

這么看有點像日本計算機(jī)行業(yè)的“復(fù)仇者聯(lián)盟”。他們是不同集團(tuán)的不同公司，員工通常相互競爭。該項目的總經(jīng)理根橋正人后來寫道，“他們沒有試圖掩飾他們的敵意；他們討論時不掩飾他們的私欲?！?/span>

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

小組實驗室的選擇沒有問題。但日本芯片“復(fù)仇者聯(lián)盟”的五名成員就合作實驗室的選址爭論了六個月。它最終被放置在神奈川縣的 NEC 中央實驗室。

VLSI 項目設(shè)立了一個董事會，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(dǎo)下是一個總委員會，由公司董事組成。在此之下，是一個運營和技術(shù)委員會。這些委員會由五家公司各自的部門負(fù)責(zé)人組成。

根據(jù)技術(shù)委員會的指導(dǎo)，將從公司借調(diào)的100名左右的員工進(jìn)行研究和實現(xiàn)。關(guān)鍵的是，借調(diào)的員工不是由公司選擇的，而是由合作實驗室的負(fù)責(zé)人選擇的。該項目有多種研究目標(biāo)，它們是光刻技術(shù)、晶體技術(shù)、設(shè)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(shù)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：“我沒有干預(yù)研究本身。我對該組織最感興趣的是人的問題：如何協(xié)調(diào)來自不同公司的研究人員并使他們互動。我想讓他們成為好朋友，互相交流，敞開心扉。”

“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合的抱怨，并試圖消除問題?！?/span>

但如果認(rèn)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，但推動他們堅持到底，實現(xiàn)項目的使命。當(dāng)問題出現(xiàn)時，他把解決問題作為自己的工作。

Nebashi 實現(xiàn)了他的目標(biāo)：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。昂貴的設(shè)備被公平地分配了，人們甚至開始了校友通訊。

整個項目將在所有技術(shù)研究目標(biāo)中產(chǎn)生一千多項新專利。它極大地提升了日本對半導(dǎo)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現(xiàn)更大的目標(biāo)，這些專利中有 16% 是由競爭公司的成員作為聯(lián)合發(fā)明提交的，這是一個巨大的進(jìn)步。

至關(guān)重要的是，這些專利中的很多都出現(xiàn)在單個公司，知道他們有問題但沒有資源自己解決所有問題的領(lǐng)域。例如，在加工過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(biāo)中，該項目在光刻技術(shù)方面走得最遠(yuǎn)。在四年結(jié)束時，該項目建立了三種使用電子束的光刻技術(shù)，達(dá)到了 1 微米或更小的分辨率。

隨著研究聯(lián)盟在光刻方面取得進(jìn)展，他們開始調(diào)試供應(yīng)商的設(shè)備。光刻是一項多學(xué)科的工作。為了讓一家公司真正擅長于此，他們需要擅長三個不同的領(lǐng)域：高分辨率光學(xué)、先進(jìn)的電子束或 X 射線光刻技術(shù)和高精度機(jī)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(jī)械方面都有專長。自 1925 年以來，他們一直在銷售醫(yī)用顯微鏡進(jìn)行光學(xué)檢查，并為天文臺制造大型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行高精度機(jī)械檢查。

佳能沒有尼康在高精度機(jī)械方面的經(jīng)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(zhǔn)器（美光項目）。

當(dāng)項目成員來訪時，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沒有市場競爭力，因為佳能工程師在高精度機(jī)械方面存在缺陷。它給對準(zhǔn)器留下了精度問題。

VLSI 項目聯(lián)系了佳能并委托了一種稱為接近式對準(zhǔn)器的對準(zhǔn)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 系列的勞動成果大受歡迎，某些機(jī)器此后使用了幾十年。

佳能也希望有機(jī)會在步進(jìn)電機(jī)上工作。如果您還記得前文提到過，步進(jìn)器是 GCA 的下一代設(shè)備，價格昂貴。但佳能沒有資源同時進(jìn)行這兩個項目。因此，尼康于 1977 年受委托開發(fā)光刻步進(jìn)機(jī)。他們以前從未做過這樣的事情，但 VLSI 項目成員與他們密切合作，共同滿足需求。

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

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(chǔ)客戶。涉足新行業(yè)和新產(chǎn)品線的公司常常面臨兩難境地：“我們?nèi)绾潍@得開發(fā)這種產(chǎn)品的資金？誰來為我們糟糕的第一次迭代買單？”

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單。這很像英特爾、臺積電和三星多年來捐助數(shù)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(yīng)商密切合作以實現(xiàn)這一目標(biāo)。這很重要。誰曾與不知道客戶在尋找什么的客戶合作過？

尼康首先從 GCA 購買了一臺機(jī)器，開始了步進(jìn)電機(jī)的開發(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，研究每一件，然后拼湊出一個以相同方式工作的尼康原型。

自然地，第一個原型非常有效。但是，VLSI 項目成員并沒有將整個事情扔棄之腦后，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(xiàn)在都擁有了他們知道可以贏得市場的產(chǎn)品。

VLSI 項目成功啟動了日本的本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)——建造大型工廠來制造最先進(jìn)的存儲芯片。從 1980 年到 1982 年，日本的光刻工業(yè)增長了 66%。相比之下，美國同期僅增長了 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)惠的價格讓舊技術(shù)走得更遠(yuǎn)。佳能開發(fā)出能夠達(dá)到 2-3 微米設(shè)計規(guī)則的接近式對準(zhǔn)器，震驚了整個行業(yè)，許多專家認(rèn)為這是不可能的。

然后在 1980 年，尼康向市場發(fā)布了他們在 VLSI 項目中的成果：NSR-1010G 步進(jìn)器。第一批客戶是 NEC 和東芝，他們發(fā)現(xiàn)它非常適合他們目前的生產(chǎn)線。

日本市場的爆發(fā)式增長讓美國光刻廠商措手不及。1981 年是美國經(jīng)濟(jì)衰退的一年，美國人不適應(yīng)市場——依賴日本貿(mào)易公司獲取市場信息。

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

筆者認(rèn)為看到此篇文章的人在非常仔細(xì)地審視這段歷史，以尋找對現(xiàn)在和未來的洞察力。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(rèn)為不需要這樣做，現(xiàn)在企業(yè)不一樣、市場情況不盡相同，最重要的是，技術(shù)遠(yuǎn)非相同。

日本的勝利并不完整。因為眾所周知，它不會持續(xù)很長時間。佳能和尼康無法保持其在光刻市場的領(lǐng)先地位。日本半導(dǎo)體市場將在 80 年代末和 90 年代崩潰。

美國人對他們失去市場領(lǐng)導(dǎo)地位備受打擊，投入研究開發(fā)革命性的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)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(xiàn)了下一代光刻技術(shù)：EUV。

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