ASML：從飛利浦棄兒到光刻之王

陳永偉

近日，荷蘭光刻機巨頭ASML宣布：其聯席總裁兼首席執行官皮特·溫寧克 （Peter Wennink）及聯席總裁兼首席技術官馬丁·范登布林克（Martinvanden Brink）將于 2024年4月24日退休。現任首席商務官兼管理委員會成員克里斯托弗·富凱（Christophe Fouquet）將可能會成為公司的下一任總裁兼 CEO——當然，這還需要經過2024年4月24日的年度股東大會的最終批準。

溫寧克和范登布林克從2013年接任ASML的總裁，至今已經十年。這十年，是ASML成立以來最輝煌的十年。在這個時間點上，回顧一下這家公司從幾近破產的小公司成長為業界巨頭的過程，是非常有意義的。

1.光刻往事

要講ASML的故事，我們有必要先花點篇幅來介紹一些與光刻技術及光刻機相關的背景知識。

嚴格來說，我們將這項技術稱為“光刻”是有誤導性的。它并不是像很多人想象的那樣用激光在硅片上刻圖，而更像是一種照相曝光和印刷技術的組合。

光刻的英文是Photolithography，從構詞上容易看出，這個詞脫胎于Lithography，即“石版印刷術”。

“石版印刷術”的要害之處在于用化學的方法在要畫的圖案上涂上油墨，而讓其他地方保持空白。與之類似的，光刻的要害則在于用化學的方法保留硅片中需要的部分，而去掉其他的部分。所不同的是，在“石版印刷術”中，人們用的是油脂、樹膠和水來實現這一點，而在光刻過程中，人們則是通過光和光刻膠來實現。

大家知道，芯片的制作過程很大程度上是一個在硅片上雕刻出復雜電路的過程。仿照石版印刷的思路，可以先在硅片上畫上想要的圖案，并將它保留下來。為了達到這一點，我們需要先在硅片上涂上一層含有光致敏劑的光刻膠。然后再借用光學技術將帶電路圖的掩膜（mask）按比例縮小后投射到硅片上。在光照到的地方，光刻膠就會產生變化，形成一道保護層。在經過曝光之后，就可以用含氯或氟的氣體對硅片進行蝕刻（Etching）。這樣，有保護層的地方的硅就會保留下來，而其余部分的硅則會被侵蝕掉，我們需要的電路就被刻到了硅片上。

從歷史上看，光刻技術出現的時間比芯片還要早。1955年，貝爾實驗室的科學家卡爾·弗洛希（Carl Frosch）和林肯·德里克（Lincoln Derick）發現了一種對硅擴散進行表面保護和選擇性屏蔽的技術。這種技術在硅的表面生成凝聚態的氧化膜，并在其上面蝕刻出窗口圖形。這樣，雜質原子就只能夠從窗口擴散到硅襯底中去，而覆蓋了氧化膜的硅則會被保護起來。1957年，物理學家杰伊·拉特羅普（Jay Lathrop）和詹姆斯·納爾（James Nall）通過改造的顯微鏡反射光線，得以將復雜的電路圖縮小投射到硅片上。在發表關于這項技術的論文時，拉特羅普和納爾將它命名為Photolithography——很顯然，在命名時，他們刻意將這種技術和古老的石版印刷技術進行了類比。有意思的是，后來拉特羅普曾認為這個名字用得并不得當，因為事實上在加工過程中起作用的是“蝕刻”而非印刷，但這個名字是如此生動而深入人心，因而后來一直被沿用了下來。

隨著半導體產業的興起，光刻這種便捷、實用的硅片加工技術的需求變得越來越大，于是商業化的光刻機就有了它的市場。1961年，美國地球物理公司（Geophsical Corporation of America，簡稱GCA公司）的子公司大衛·曼恩公司（David Mann）造出了世界上第一臺商用光刻機——971型光刻機。雖然從現在的角度看，這臺光刻機的性能存在著很多不足，但在當時，它已經可以很好地滿足業界的需要。因此，包括IBM、德州儀器，以及飛利浦公司在內的半導體產業制造企業都爭相采購這款光刻機，GCA也因此獲得了巨大的商業成功。從此開始，光刻機本身也形成了一個獨立的產業。

2.并不被看好的業務

回到ASML的故事。作為一家獨立的公司，ASML成立于1984年。但在它獨立之前，其前身飛利浦公司的物理實驗室（簡稱Natlab）卻已經與光刻機打了數十年的交道。

1962年底，Natlab的一個考察團赴美國參觀了貝爾實驗室。參觀期間，貝爾的研究人員向他們展示了自己開發的半導體芯片。這些芯片的精巧做工讓考察團的成員們驚嘆不已。考察團成員、Natlab的主任皮特·哈依曼（Piet Haaijman）將一塊芯片帶回了歐洲，并讓實驗室的研究人員好好對其進行研究。一位剛入職不久的研究員弗利茨·克洛斯特曼（Frits Klostermann）在通過顯微鏡詳細觀察了這枚芯片后，感嘆這個小小的元件簡直就像一只“閃耀著彩虹般光彩的怪異昆蟲”。

不久后，克洛斯特曼被調到了實驗室的光化學研究小組。這個小組的任務是為飛利浦開發光刻機。1963年5月，飛利浦從大衛·曼恩公司重金購入了一臺1080型光刻機。作為技術服務人員，克洛斯特曼對這架機器進行了組裝。通過這番實踐，他詳細了解了這款先進機器的結構，也發現了它的種種缺陷，這些都為他日后開發光刻機奠定了基礎。不久之后，他又作為采購人員訪問了美國多家光刻機廠，對當時各種先進光刻機的技術特性進行了深入的了解。

1966年，克洛斯特曼終于獲準自行研發光刻機。1967年，他就做出了一臺重復曝光光刻機的原型機，并將其在Natlab的展覽會上展出。遺憾的是，當時飛利浦的高層并不重視這個重要的研發成果。此后，Natlab在光刻機的研發上還取得了很多成績。但遺憾的是，由于公司的高層對光刻機項目并不重視，導致這些研究成果沒能很好地轉化為現實的產品，更無法轉化為經濟收益。

3.拋棄和新生

上世紀80年代初，飛利浦自身的財務狀況陷入困境，出于降本增效的考慮，就打算出售其光刻機等非核心業務。起初，飛利浦的計劃是讓某個大型的光刻機廠商來“接盤”，但幾個相關大公司都沒任何興趣。

這個時候，一家名不見經傳的公司“先進半導體材料國際有限公司”（Advanced Semiconductor Materials International Ltd.，簡稱ASM）出現了。ASM的創始人阿瑟·德爾·普拉多（Arthurdel Prado）出生于印尼，其父母都是荷蘭人。“二戰”時，他曾被關入集中營。戰爭結束后，他回到荷蘭，并學習了經濟學和化學。隨后，又赴美在哈佛商學院進行了深造。從哈佛畢業后，他游歷了硅谷，目睹了半導體產業的蓬勃發展，就回到荷蘭進行創業。在他聽說飛利浦有意出讓光刻機業務后，曾多次找上門試圖尋求合作，然而，飛利浦又豈會看得起這家新創的小公司？所以，這個合作一直沒有成功。

1983年，飛利浦的光刻機業務已幾近窮途末路。就在這時，飛利浦科學與工業部（S&I）的技術董事喬治·德·克魯伊夫在報紙上看到了一篇介紹ASM的報道。他發現，此刻的ASM早已不是當初主動上門來求合作的那家小作坊，已經成為了一家在美國納斯達克上市的大公司。于是，他趕緊向公司高層報告，表示可以嘗試和德爾·普拉多談一下。早已為財務困境煩惱不已的飛利浦高層此時也顧不得矜持，馬上就同意了這個建議。

雙方很快決定了合作方案：由飛利浦和德爾·普拉多分別出資210萬美元，成立一家新的公司，雙方在新公司各占50%的股份。這家新的合資公司被命名為“先進半導體材料光刻公司”（Advanced Semiconductor Material Lithography），也就是后來大名鼎鼎的光刻巨頭ASML。

3.走過最初的黑暗

在ASML成立之初，它的日子非常不好過。這時的半導體芯片江湖已經進入了一個新的時代。從上世紀70年代末開始，日本的半導體產業開始在通產省的產業政策支持之下迅速發展，日立、三菱、富士通、東芝、日本電氣等企業強勢崛起，成為整個芯片行業內舉足輕重的角色。與此同時，尼康、佳能等企業則開始進入光刻機的生產行列，并憑借質優價廉將老牌的美國光刻機廠商打得節節敗退。

與當時野蠻生長的日本光刻機廠商相比，新生的ASML簡直不足一提。這家新公司的最初員工總共只有47人，都是從飛利浦的Natlab“優化”而來的，本來就沒什么斗志。他們的辦公室被安排在飛利浦大廈前的簡易木棚房內，可謂一番破敗景象。

如何才能讓這個新公司實現破局呢？德爾·普拉多認為，最重要的是要找一個靠譜的CEO。那么，誰才能勝任，并且愿意出任這個職位呢？獵頭向他推薦了賈特·斯密特（Gjalt Smit）。

斯密特是一位充滿激情、熱愛自由的人物。他是磁流體工程學碩士和天體物理博士，并曾在歐洲航天局工作。對于飛利浦來說，他其實不算新人。因為在1969年時，他曾加入這家公司，但不久后，就因受不了公司的官僚作風而辭職離開。此時，他的職位是美國電話電報公司駐荷蘭的銷售負責人。在過去的四年中，他的工作十分出色，幫助公司取得了政府的巨額訂單。當德爾·普拉多見到斯密特后，馬上就被斯密特表現出的商業直覺所吸引，認為他就是自己要找的人。倒是斯密特在聽說飛利浦占據ASML的一半股份后，表示出了猶豫。他對德爾·普拉多說，他欽佩飛利浦的技術，但在商業和營銷上，那里是一團糟。不過，德爾·普拉多早已認準了斯密特就是對的人，他很快說服飛利浦方面，讓斯密特出任ASML的CEO，而斯密特在一番推辭之后也最終接受了這個職位。

怎么才能讓ASML迅速振作起來呢？斯密特認為，最重要的突破口是要盡快找到客戶。為了尋找客戶，他于1984年5月底來到了美國加州圣馬特奧參加西部半導體展覽會（SEMICON West），并拜訪了多家芯片巨頭。拜訪的結果讓他沮喪。幾乎所有的芯片巨頭都表示，他們在選擇光刻機供應商時會非常在乎對方的銷售量。原因很簡單：對于使用者而言，光刻機的售后維修和保養是十分重要的，而只有那些銷售量達到一定規模的光刻機廠商才有可能負擔起專業的售后團隊——事實上，日本光刻機廠商之所以可以在短時間內搶到巨大的市場份額，就是因為它們有極為優秀的售后服務。然而，這一切對仍處在一窮二白階段的ASML來說，顯然是難以企及的。

不過，通過和芯片巨頭們的交談，他也發現了一個重要的信息：當時，芯片已經從大規模集成電路（LSI）發展到了超大規模集成電路（VLSI），芯片線路將縮小到1微米以下。如果按照摩爾定律，那么在兩年之后，芯片的制造就要求能夠實現0.7微米以下的成像，但包括尼康、佳能、CGA在內的所有光刻機當時都還不能達到這一精度。

斯密特認識到，如果ASML可以彎道超車，率先實現這種新光刻機的生產，就可以成功在市場上站住腳。根據ASML工程師們的估計，想要在兩年內開發這樣一個新光刻機，投入的成本大約需要1億美元，在他們看來，ASML的董事會顯然不會批準這么大的一筆投入。這時，斯密特的銷售經驗就發揮了作用。憑借著他的三寸不爛之舌，董事會竟十分意外地同意了這個方案，并且讓飛利浦和ASM先各拿出150萬美元來作為第一筆資金。

得到了董事會的支持之后，斯密特馬上啟動了計劃。他預先將新產品的名字定為PAS2500，并計劃在1986年的西部半導體展覽會上展示新的機器。

在斯密特的帶領之下，原本一團散沙的ASML團隊終于重新燃起了斗志。不過，這時候，市場的情況出現了變化。隨著經濟的衰退，芯片制造商們在購買光刻機時變得越來越謹慎。這讓斯密特認識到，如果完全把寶押在兩年后的PAS2500上，ASML可能早就倒閉了。為了提早打開局面，他們必須先拿出一款過渡性的產品。

在ASML工程師夜以繼日的努力之下，過渡性質的PAS2400僅用了半年就生產了出來。相對于當時市面上主流光刻機適用的液壓機臺，PAS2400采用了Natlab的電動機臺，從而可以讓光刻過程中的調節更加準確。

1985年，斯密特帶著PAS2400來到了西部半導體展覽會進行展示。在展會上，PAS2400的表現非常出色，整個展會期間，一直正常運作。相比之下，其他光刻機廠商演示的產品卻經常出現各種問題。但盡管如此，并沒有任何訂單在會上達成。

進入1986年，ASML的命運似乎終于迎來了拐點。當年年初，它終于迎來了自己的第一個客戶——一家叫MMI的小型芯片制造商，它購買了幾臺PAS2400。這樣，ASML終于實現了銷售上的零的突破。

當年5月，PAS2500也終于開發完成。當斯密特帶著PAS2500來到西部半導體展覽會上時，這款新產品馬上吸引了人們的注意。賽普拉斯（Cypress）公司的CEO在看過PAS2500后，對其性能表示非常滿意，并表示出了購買意向。不過，他的條件是要求ASML買一些自己公司的股票，以確保雙方的利益綁定。這樣，如果ASML的光刻機出了問題，它自己也會受到損失。按照公司的規定，這有些困難。但對于變通的斯密特來說，這并不是問題，他指示公司的CFO很快向NMB銀行貸款解決了股份購買的資金。

斯密特還想要更多。此前，AMD的創始人杰瑞·桑德斯（Jerry Sanders）曾抱怨美國產的光刻機質量太差，因而不得不購買日本的產品。斯密特知道此事后，立馬讓人在報紙上登廣告向桑德斯“表白”說：“我們聽見了你的話，杰瑞。”在1986年的西部半導體展覽會上，斯密特又親自帶著資料找到了桑德斯，向其兜售PAS2500。桑德斯對PAS2500非常感興趣，但在最后一刻決定沒有購買，原因是行業不好，AMD也缺錢。

戲劇性的是，在一年之后，一切又峰回路轉，AMD主動找到了ASML要求購買光刻機。原因很離奇：AMD收購了MMI，在盤點其固定資產時，發現MMI購買的其他品牌光刻機已經不能再使用，而那幾臺PAS2400卻依然正常工作。就這樣，ASML終于靠自己過硬的質量贏得了AMD。

不過，當ASML正在向好的方向轉變時，斯密特的地位卻變得岌岌可危。盡管已經獲得了一部分訂單，但由于前期的巨量投入，ASML虧損嚴重，這讓兩家母公司不堪重負，就連德爾·普拉多也開始抱怨ASML的無止境燒錢。就在這個時候，德國的Leybold Heraeus公司向斯密特拋出了橄欖枝，于是他就很識趣地從ASML主動辭職了。

從歷史的角度看，斯密特是ASML歷史上繞不過去的一個角色。正是他帶領ASML走過了最困難的時光，也是他為ASML注入了精益求精、用技術優勢來占領市場的公司精神。

5.逆天轉運

1988年春季，ASML已經發不出工資，最終靠飛利浦投入的130萬美元才勉強度過了難關。更為糟糕的是，ASM也被ASML的無止境燒錢拖垮了。為了避免公司破產，ASM不得不從ASML撤資，其在ASML中的股份與債務由飛利浦繼承。

就在ASML幾乎走到山窮水盡的時候，一筆大單卻意外地從天而降了：剛成立不久的臺積電要購買17臺新的PAS2500。坦白說，這筆訂單多少有些關系性質。臺積電成立時，飛利浦曾通過技術入股的方式獲得了其27.5%的股份，因而從某種意義上講，臺積電和ASML有“兄弟”關系——不過，這種關系也有壞處，因為它在很大程度上束縛了ASML和臺積電的談判空間。1988年底，當臺積電的新生產線快要布置完畢時，意外遭遇了一場大火，大批原先向ASML訂購的PAS2500由此受損。因此，臺積電發來了新機器的訂單。然而，很多在這場火災中受損的機器其實被破壞程度非常小，因而ASML實際上是回收了多數機器，并憑空多了一大筆訂單。由于有了這筆訂單，ASML在光刻機市場上的份額增加到了15%。

但ASML先前傾注了巨大心血的PAS2500并沒有如預期的那樣受市場歡迎。到1989年年中，ASML的市場份額重新跌回了6%，在主要光刻機廠商中位列倒數第二。而這樣的原因，很大程度上是隨著芯片需求的增加，芯片制造商需要加工的晶圓規格已經從6英寸增加到了8英寸，但包括PAS2500在內的所有型號ASML光刻機還不能加工8英寸的晶圓。在這樣的情況下，要實現根本破局，就必須盡快搞出新產品。

這個艱巨的任務落到了范登布林克——也就是本文開始提到的那位即將辭任的首席技術官身上。作為新機器的架構設計師，他被命令要在三個月內拿出新機器的方案。臨危受命的他為了趕時間，干脆在公司對面的會計師事務所找了一間安靜的房間，在里面夜以繼日地進行工作，終于趕在期限拿出了新機器PAS5500的方案。

和市場上流行的所有光刻機都不同，PAS5500是一臺模塊化的光刻機，它的組件可以更換。由于光刻機的使用損耗非常大，所以在過去的整體架構下，芯片廠商經常會因一個零件的損壞而更換一整臺光刻機，而PAS5500的設計顯然可以解決這個問題。

雖然PAS5500的設計很快完成了，但第一臺機器的交貨卻是1991年的事了。在這中間，ASML處理了大量供應鏈方面的問題。第一臺機器的買家是IBM，這時它已經是全球最大的半導體制造商，ASML的銷售團隊經過了很大的努力，才敲開了它的大門。事實證明，當成功地把好的產品賣給這樣的買家時，ASML的轉機就真的來了。

1992年，ASML的營收已經從前一年的8100萬美元上升到了1.19億美元，雖然由于前期研發的巨量投入，總體上依然是虧損，但幅度已經大大收窄。從1993年開始，ASML的收入就出現了飛速增長，利潤也開始轉正。

1995年，ASML成功在納斯達克上市。到此為止，這家一度瀕臨破產的公司已經成長為真正的光刻機巨頭了。

5.光刻之王的加冕

那么，ASML又是如何最終超越尼康、佳能等日本的光刻巨頭，最終加冕為光刻之王的呢？這其實多少有一點偶然的成分。

在光刻機行業中，有一個重要的“瑞利法則”（Rayleigh Criterion）：光刻機可以處理的臨界尺寸與使用光源的波長成正比，與數值孔徑成反比。隨著芯片行業的發展，制造商們需要處理的電路尺寸越來越小，因而對光源的波長要求也就越來越高。

從上世紀末開始，光源的波長一直被卡在了193納米。那么，怎么才能獲得更短波長的光源呢？當時，臺積電的林本堅提出了一個方案，將晶圓的光刻膠上增加1毫米厚的水，從而將193納米的光折射成134納米的光。基于這一原理，他提出了浸入式光刻機的構思。由于臺積電和ASML的“親緣”關系，以及過去的長期合作，所以在這個構思提出后，機器的制造工作就自然交給了ASML。

雖然浸入式光刻機的構思非常巧妙，但從工程角度看，它并不難完成。ASML很快就按照設計制造出了134納米波長光源的浸入式光刻機，并憑借這臺設備一舉擊敗了尼康。盡管幾乎同時，尼康經過研發，也突破了193納米的關口，開發出了157納米波長光源的光刻機，但市場是殘酷的。包括IBM、英特爾在內的很多大客戶拋棄尼康，轉投ASML。

但ASML并沒有滿足。為了鞏固地位，它在開發浸入式光刻機的同時，就已經向極紫外光源，也就是EUV發起了挑戰。在這個階段，ASML的運氣可謂爆棚。當時，美國是最熱心EUV研發的國家，以英特爾為代表的一些企業成立了一個EUV聯盟，很多與之相關的技術和專利來自于這個聯盟。但由于美國和日本之間貿易關系的惡化，所以日本企業被排除在了這個聯盟之外。相比之下，ASML雖然也是外國公司，但考慮到其人畜無害的形象，所以被接納到了這個聯盟當中。

ASML在這個聯盟中獲得了很多有用的信息，并很快摸索出了一種新的EUV產生方法：用激光轟擊錫珠，讓其化為等離子態，從而產生EUV。基于這個方法，ASML于2010年推出了第一臺EUV樣機。

不過，將樣機變為可以銷售的商品還需要很多投入，預期的投入可能達到每年10億歐元，以ASML的財力并沒有能力獨自完成這一切。為了解決這個問題，它邀請了英特爾、三星和臺積電入股共同研發。終于，在2013年，量產的EUV光刻機NEX：3300B面世了——也就在這一年，溫寧克和范登布林克接過了公司的領導權。此后，在這兩位聯席總裁的領導下，ASML繼續高歌猛進，于2017年推出了TWINSCANNXE：3400B，將光刻機的制程（即最小的電路柵格間距離）從7納米推到了5納米。而由此，ASML的光刻霸主地位也最終確定。（來源：經濟觀察報）