10 月，光刻機大廠佳能（Canon）公司通過新聞稿宣布，其已經(jīng)開始銷售基于「納米印刷」（Nanoprinted lithography）技術(shù)的芯片生產(chǎn)設(shè)備 FPA-1200NZ2C。佳能表示，該設(shè)備采用不同于復(fù)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(xiàn)這種設(shè)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，從稱霸到被甩開，經(jīng)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(dǎo)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(fù)曝光光刻機，在 20 世紀 60 年代占據(jù) 60-70% 市場份額。但是隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中心的轉(zhuǎn)移，也就是當年有名的「美日之爭」，日本半導(dǎo)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(chǎn)業(yè)也發(fā)展起來了，尼康光刻機逐漸超過美企 GCA。

首先談?wù)勀峥怠Ｄ峥档亩ㄎ槐燃涯芨硐耄诠鈱W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(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(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 并不具有市場競爭力。它的對準器有一些精度問題。

VLSI 項目聯(lián)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(shù)，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(shù)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(fù)仇者聯(lián)盟」的成員。兩家公司并不了解各個「超級英雄」之間的內(nèi)部討論。冒險進入新行業(yè)和新產(chǎn)品線的公司經(jīng)常面臨一個困境：「我們?nèi)绾潍@得資金來開發(fā)這個產(chǎn)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(chǎn)品。他們愿意為最終產(chǎn)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(shù)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(yīng)商密切合作以實現(xiàn)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(shù)。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(xiàn)在都擁有了他們知道可以贏得市場的產(chǎn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)——建造大型工廠來生產(chǎn)最先進的存儲芯片。從 1980 年到 1982 年，日本光刻產(chǎn)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(jù)市場領(lǐng)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(shù)得到了更廣闊的市場。佳能開發(fā)出能夠達到 2-3 微米設(shè)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(xiàn)它非常適合他們當前的生產(chǎn)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(jīng)濟衰退的一年。GCA 試圖提高產(chǎn)量，但他們唯一的光學供應(yīng)商 Carl Zeiss 無法足夠快地生產(chǎn)鏡頭。隨著交貨延誤的時間不斷延長，日本半導(dǎo)體制造商已經(jīng)等不及了。日本自己開始做自己的供應(yīng)商，所以尼康一年內(nèi)就搶走了 20% 的市場份額。美國各類半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的市場份額都大幅下降。

戰(zhàn)爭結(jié)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想。要做到這一點，他們知道積極的光學技術(shù)是關(guān)鍵。1965 年，佳能將其在半導(dǎo)體光學技術(shù)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(dǎo)體光刻設(shè)備。佳能需要生產(chǎn)大量具有統(tǒng)一圖案的鏡頭，并通過光學方式轉(zhuǎn)移到晶圓上，以創(chuàng)建半導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)。

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(tǒng)。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(shè)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(wǎng)

1984 年，ASML 剛剛成立。步進式光刻機的打擊，不甘認輸?shù)乃炎詈蟮馁€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(yīng)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(shù)研討會上提出了「浸潤原理」的專題演講。在傳統(tǒng)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，利用光通過液體介質(zhì)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(shè)計整個系統(tǒng)，設(shè)計、調(diào)整系統(tǒng)需要花費很長時間，并且當時的尼康研發(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(shè)備上進行改造，所以設(shè)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，通常可以做 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(jīng)達到了 70%。

到了 2007 年，浸沒式光刻機已經(jīng)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(guān)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(lǐng)先地位，不過多年的老大技術(shù)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(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)品競爭力在市場上占據(jù)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(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

如今，佳能表示，這套生產(chǎn)設(shè)備的工作原理和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅晶圓上，而是更類似于印刷技術(shù)，直接通過壓印形成圖案。

具體來說，所謂 NIL，就是在模板上設(shè)計并制造好電子回路圖案，通過像蓋章一樣的壓印技術(shù)，轉(zhuǎn)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(shù)的研究序幕。

經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，NIL 在晶圓級光學系統(tǒng)的制作中得到了廣泛應(yīng)用。

到了 2014 年，佳能收購了一家名為 MII 的美國納米壓印基礎(chǔ)技術(shù)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(shù)完全依賴物理特性，基于機械復(fù)制，不受光衍射現(xiàn)象的限制。因此只要能設(shè)計出電路圖案，完全可以實現(xiàn)低于 5nm 的分辨率。

據(jù)佳能介紹，佳能 NIL 技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)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(shù)進一步改進，最小有望實現(xiàn) 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」。事實上，佳能的 NIL 光刻機已經(jīng)得到了下游客戶的驗證，包括日系存儲公司鎧俠在內(nèi)，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(yīng)用 NIL 技術(shù)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(yīng) 3D 堆疊結(jié)構(gòu)器件如存儲半導(dǎo)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(shè)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。