來(lái)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(chǎng)份額——由兩家光刻巨頭佳能和尼康領(lǐng)銜。美國(guó)曾經(jīng)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)體界。回到家的美國(guó)人，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(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(guó)。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(guó)政府和軍方立即對(duì)這個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)生了興趣。他們?yōu)榘⒉_太空任務(wù)訂購(gòu)了這些芯片，為民兵-II 洲際導(dǎo)彈訂購(gòu)了制導(dǎo)計(jì)算機(jī)。

美國(guó)人對(duì)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(qū)們降低成本曲線(xiàn)、提高產(chǎn)量和性能。

于是，美國(guó)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(nèi)部制作自己的設(shè)備。隨著時(shí)間的推移，對(duì)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(gòu)更好的設(shè)備。

那些制造商意識(shí)到外部設(shè)備供應(yīng)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(shù)是美國(guó)公司。

1973 年，一家名為 Perkin-Elmer 的公司推出了第一臺(tái)投影對(duì)準(zhǔn)器 Micralign。他們根據(jù)為空軍研究合同所做的預(yù)測(cè)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(shè)備的價(jià)格更高。因此，Perkin-Elmer 成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。

投影對(duì)準(zhǔn)器很棒，但它們有一個(gè)弱點(diǎn)。因?yàn)樗麄儗⑿酒O(shè)計(jì)投射到整個(gè)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(kāi)始出現(xiàn)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(guó)地球物理公司和 GCA（前身為地圖制作公司）收購(gòu)了一家名為 David Mann 的小型精密電機(jī)制造商。使用這項(xiàng)技術(shù)，GCA 能夠在 1977 年向 IBM 運(yùn)送第一臺(tái)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(duì)準(zhǔn)器。然而，他們?nèi)匀挥袃蓚€(gè)非常明顯的弱點(diǎn)。

第一，他們的吞吐量真的很慢，因?yàn)榭邕^(guò)晶圓需要很長(zhǎng)時(shí)間。這意味著制造商需要購(gòu)買(mǎi)和使用更多的芯片來(lái)制造相同數(shù)量的芯片。

第二，步進(jìn)器每臺(tái)成本 500,000 美元，也就是百萬(wàn)美元的一半。這比當(dāng)時(shí)最好的 Perkin-Elmer 投影對(duì)準(zhǔn)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(dá)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(dǎo)體制造商，包括美國(guó)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(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(wú)法贏得市場(chǎng)。

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

現(xiàn)在就到日本出場(chǎng)了。整個(gè)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(guó)公司想進(jìn)入當(dāng)時(shí)利潤(rùn)豐厚的日本市場(chǎng)，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(huì)盡可能多地從外國(guó)人那里吸收知識(shí)，并希望最終能取代他們。

這使得日本半導(dǎo)體市場(chǎng)能夠跟上美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造實(shí)踐的步伐。但這種大規(guī)模的知識(shí)轉(zhuǎn)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(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(guó)半導(dǎo)體制造商已經(jīng)將他們的低級(jí)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(jī)械，使流程更加自動(dòng)化。這種設(shè)備比其他任何設(shè)備都好，很快就贏得了美國(guó)人的市場(chǎng)。

但這些成功是罕見(jiàn)的。事實(shí)上，美國(guó)人仍然制造出最好的計(jì)算機(jī)、最好的芯片和最好的光刻設(shè)備。隨著對(duì)這些物品的需求增加，美國(guó)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(dǎo)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(dǎo)地位以及 IBM 的計(jì)算機(jī)制造主導(dǎo)地位之間，日本在整個(gè) 1970 年代開(kāi)始對(duì)其計(jì)算機(jī)行業(yè)的落后競(jìng)爭(zhēng)力感到焦慮。

在執(zhí)政的日本政府內(nèi)部，日本政界人士聽(tīng)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(huì)。

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?jì)算機(jī)制造商來(lái)應(yīng)對(duì)IBM ……迫切需要重組計(jì)算機(jī)行業(yè)，建立一個(gè)更統(tǒng)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(jì)算機(jī)行業(yè)并與西方緊密聯(lián)系。因此，1976 年 VLSI 項(xiàng)目誕生了，VLSI 代表超大規(guī)模集成（不要與美國(guó) 1978 年同名的 DARPA 項(xiàng)目混淆）。

日本 VLSI 項(xiàng)目的預(yù)算總額為 2.81 億美元——其中一半資金來(lái)自政府——并將持續(xù)四年。

1980 年的結(jié)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(jī)”（從未面世，僅供參考）。該項(xiàng)目的目標(biāo)是匯集日本的各種計(jì)算機(jī)玩家，共同開(kāi)發(fā)下一代半導(dǎo)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(jī)、NEC 和東芝。這個(gè)團(tuán)隊(duì)只有電腦公司，所以像夏普和索尼這樣的消費(fèi)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(jì)算公司參與其中。

這么看有點(diǎn)像日本計(jì)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(jìng)爭(zhēng)。該項(xiàng)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。”

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

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

VLSI 項(xiàng)目設(shè)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(dǎo)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(yùn)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(fù)責(zé)人組成。

根據(jù)技術(shù)委員會(huì)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(shí)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(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人選擇的。該項(xiàng)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(jì)技術(shù)、加工技術(shù)、測(cè)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(guó)家合作項(xiàng)目方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，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(yù)研究本身。我對(duì)該組織最感興趣的是人的問(wèn)題：如何協(xié)調(diào)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?cè)谀切﹫?chǎng)合的抱怨，并試圖消除問(wèn)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(cuò)特錯(cuò)了。他體諒人們的感受，但推動(dòng)他們堅(jiān)持到底，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的使命。當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，他把解決問(wèn)題作為自己的工作。

Nebashi 實(shí)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(xiàng)目解散后，他們舉行了盛大的歡送會(huì)。昂貴的設(shè)備被公平地分配了，人們甚至開(kāi)始了校友通訊。

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

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手共同努力實(shí)現(xiàn)更大的目標(biāo)，這些專(zhuān)利中有 16% 是由競(jìng)爭(zhēng)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(xiàn)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(xiàng)目還有另一大好處。在六大研究目標(biāo)中，該項(xiàng)目在光刻技術(shù)方面走得最遠(yuǎn)。在四年結(jié)束時(shí)，該項(xiàng)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(kāi)始調(diào)試供應(yīng)商的設(shè)備。光刻是一項(xiàng)多學(xué)科的工作。為了讓一家公司真正擅長(zhǎng)于此，他們需要擅長(zhǎng)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(jī)械。VLSI 項(xiàng)目成員最終決定與幾家具有這些特殊經(jīng)驗(yàn)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(zhuān)長(zhǎng)。自 1925 年以來(lái)，他們一直在銷(xiāo)售醫(yī)用顯微鏡進(jìn)行光學(xué)檢查，并為天文臺(tái)制造大型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行高精度機(jī)械檢查。

佳能沒(méi)有尼康在高精度機(jī)械方面的經(jīng)驗(yàn)，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(duì)準(zhǔn)器（美光項(xiàng)目）。

當(dāng)項(xiàng)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(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)榧涯芄こ處熢诟呔葯C(jī)械方面存在缺陷。它給對(duì)準(zhǔn)器留下了精度問(wèn)題。

VLSI 項(xiàng)目聯(lián)系了佳能并委托了一種稱(chēng)為接近式對(duì)準(zhǔn)器的對(duì)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(dòng)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(huì)在步進(jìn)電機(jī)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(shè)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(xiàng)目。因此，尼康于 1977 年受委托開(kāi)發(fā)光刻步進(jìn)機(jī)。他們以前從未做過(guò)這樣的事情，但 VLSI 項(xiàng)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(guī)模集成電路“復(fù)仇者聯(lián)盟”。兩家公司并不知道各個(gè)企業(yè)之間的內(nèi)部討論。并且 VLSI 項(xiàng)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(chǎng)。

該項(xiàng)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(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?nèi)绾潍@得開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品的資金？誰(shuí)來(lái)為我們?cè)愀獾牡谝淮蔚I(mǎi)單？”

日本政府基本上表示他們將“投資”最終產(chǎn)品。他們?cè)敢鉃樽罱K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(tái)積電和三星多年來(lái)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。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(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)機(jī)器，開(kāi)始了步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)發(fā)。GCA 將其運(yùn)送給他們是因?yàn)樵试S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(xiàng)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(xiàng)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(chǎng)的產(chǎn)品。

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

日本公司利用他們?cè)趦?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(guó)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(yuǎn)。佳能開(kāi)發(fā)出能夠達(dá)到 2-3 微米設(shè)計(jì)規(guī)則的接近式對(duì)準(zhǔn)器，震驚了整個(gè)行業(yè)，許多專(zhuān)家認(rèn)為這是不可能的。

然后在 1980 年，尼康向市場(chǎng)發(fā)布了他們?cè)?VLSI 項(xiàng)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(xiàn)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(zhǎng)讓美國(guó)光刻廠商措手不及。1981 年是美國(guó)經(jīng)濟(jì)衰退的一年，美國(guó)人不適應(yīng)市場(chǎng)——依賴(lài)日本貿(mào)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(yīng)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(dǎo)體制造商等不及了。尼康在一年內(nèi)搶走了 20% 的市場(chǎng)份額。美國(guó)每類(lèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的市場(chǎng)份額都崩潰了，美國(guó)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(duì)現(xiàn)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(rèn)為不需要這樣做，現(xiàn)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(yuǎn)非相同。

日本的勝利并不完整。因?yàn)楸娝苤?，它不?huì)持續(xù)很長(zhǎng)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(dǎo)體市場(chǎng)將在 80 年代末和 90 年代崩潰。

美國(guó)人對(duì)他們失去市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位備受打擊，投入研究開(kāi)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(xiàng)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(guó)的光刻業(yè)已不復(fù)存在。因此，SEMATECH 和政府轉(zhuǎn)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。