ASML的光刻霸主之路|光刻|光学|掩模|电子束|飞轮

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ASML的优势，是通过一系列决策建立起来的——这一过程始于2000年代初期的157nm光刻。在这些决策中，即使经济前景并不确定，而且竞争对手认为风险不值得承担，ASML 仍然一次又一次选择将极其困难的下一代技术坚持推进，直至形成一套能够实际运行的生产系统。

本文将从157nm光刻开始，追溯这一发展模式，随后延伸到193nm浸没式光刻和 EUV；分析为什么Nikon（尼康）和Canon（佳能）做出了不同的选择；并进一步探讨，新一代无掩模、数字控制光刻技术，是否有可能对 ASML 当前的地位构成第一个真正意义上的架构性挑战——而这种挑战最有可能首先出现在低产量、高混合度制造领域，而不是先进逻辑芯片的最前沿。

157nm插曲：一项输掉竞赛的技术

2000年代初期，ASML、Nikon和Canon都在开发 157 nm 光学光刻技术，当时业界普遍认为它将成为 193 nm 干式光刻的下一代技术。三家公司都在大约2002—2003年间公布了相关技术路线图。

ASML走得最远：2003 年 4 月，ASML 宣布交付 Micrascan VII。该设备被描述为行业第一套能够制造出实际可工作芯片的全视场 157 nm 步进扫描系统，其中也包括交付给 IMEC 的设备。

Nikon制造了一套全视场 157 nm 扫描光刻机，并发表了有关其投影光学系统以及这一波长所要求的超高纯度气体环境的详细研究。

Canon则围绕 157 nm 氟基照明光源设计了 FPA-6000 平台，之后又在同一平台上推出了 ArF 和 KrF 版本。

157nm并不是因为被证明在技术上不可行而遭到放弃——到 2003—2004 年，Micrascan VII 已经能够展示全视场 157 nm 成像，而 IMEC 的研究也表明，核心技术障碍在很大程度上已经被克服。

它之所以被淘汰，是因为出现了一条在经济性和技术上都更好的路径。

原本规划中的技术演进顺序是：193 nm 干式 → 157 nm → 193 nm 浸没式

但实际发生的是：193 nm 干式 → 193 nm 浸没式 → 多重图形化 → EUV

事实证明，193 nm 水浸没技术能够将既有的 193 nm 平台延伸到远超最初预期的程度，而其生态系统成本只是引入一种全新波长所需成本的一小部分。

157nm面临的问题从来不只局限于扫描光刻机本身，而是延伸到了整个配套生态系统：

CaF₂光学材料的要求变得极其苛刻，推动系统走向全 CaF₂投影光学方案。
157 nm 光刻胶需要全新的含氟化学体系。
传统的软式保护膜（soft pellicle）无法在这一波长下工作。
硬式保护膜（hard pellicle）又带来了自身的成本和集成问题。
光罩透射率和污染控制变得更加困难。
激光器和环境控制要求变得更加严格。
193 nm 浸没式光刻提供了一种容易得多的方式，可以继续延伸行业已经拥有的基础设施。

当时的分析很好地概括了这一局面：光刻机厂商认为，激光器、镜头和工件台技术基本已经准备就绪，但周边基础设施——尤其是保护膜和光刻胶——仍然是主要障碍。

从这个意义上说，与其把 157 nm 理解为一项彻底失败的技术，不如把它理解为一项输掉了竞赛的技术。

它与后来半导体行业放弃 450 mm 晶圆有明显相似之处：两条路线在技术上都具有可信度，但在进入主流制造之前，都失去了经济上的合理性。

即使是在这场“失败”中，157 nm 仍然给 ASML 带来了极其宝贵的东西：它让 ASML 获得了直接经验，将一个异常复杂的下一代技术生态系统——包括激光器、照明系统、CaF₂ 光学系统、扫描器机械结构、晶圆台、光罩、保护膜、光刻胶、污染控制以及工艺集成——整合成一套能够正常工作、并且能够交付的完整平台。

Nikon和Canon同样拥有严肃而深入的研发项目，但它们并没有达到同等程度的实际运营投入和承诺。

这种组织层面的经验差异，在此后的二十年中不断累积并被放大。

ASML、Nikon与Canon之间的战略不对称

此后局面之所以如此发展，并不是因为 ASML 拥有某种 Nikon 和 Canon 所不具备的独特光学能力——Nikon 和 Canon 同样拥有极其出色的精密工程和光学技术能力。

真正的解释在于：每家公司愿意把多少资本、工程资源以及企业层面的风险投入到先进光刻技术中。

而这种投入意愿，又取决于先进光刻业务对于各家公司而言，在多大程度上关系到自身的生存和发展。

ASML从飞利浦拆分出来后，只有一个市场，要么成功，要么失败。尼康的半导体光刻业务虽然十分重要，但对于一家拥有庞大影像与精密设备业务组合的公司而言，它只是其中一部分。佳能的业务更加多元，横跨消费级和商用影像、打印、相机以及医疗设备，先进半导体光刻在其整体业务中的占比相对较小。（经常被引用的数据是——尼康约60%的业务与半导体光刻相关，而佳能约为5%——如果没有明确界定统计范围和年份，这些数字更应被视为具有指示意义，而非精确数据，但其背后的这种不对称性是有充分依据的。）对于ASML而言，放弃下一代高难度技术，可能比投入其中更加危险。对于尼康和佳能而言，情况确实不同，因为它们还有其他领域可以投入资本。

193i转向与不断增强的飞轮

ASML对157nm事件的回应，并不是得出“下一代光刻技术过于困难”的结论，而是认为，真正能够胜出的技术，是能够以最低的整体生态系统成本实现最大分辨率提升的技术。这一判断直接推动了193nm浸没式光刻的积极商业化。随着193i成为行业首选路线，ASML建立了越来越庞大的装机基础，并在其上叠加了一系列不断扩展、彼此联动的能力：投影光学、浸没技术、晶圆工作台、对准、套刻、计算光刻、量测、光源技术、生产效率、设备正常运行时间以及服务基础设施。其优势开始变成一种累积优势，而不再只是光学技术上的优势。

这形成了一个自我强化的飞轮：157nm项目让ASML学会了如何整合一个极其复杂的光刻生态系统；193nm浸没式光刻将这种能力转化为更大的装机基础和更深入的客户关系；由此产生的收入又为更先进的工作台、光学系统、套刻技术和软件提供资金；而这一平台反过来又为押注EUV提供了资金。一旦EUV变得可行，更广泛的供应商生态已经围绕ASML组织起来，而ASML实际上也成为唯一有能力交付最先进光刻机的供应商。到了这个阶段，尼康和佳能已经不再只是落后于某一个单项指标——它们落后的是整个生态系统，而这种差距要困难得多才能弥合。

EUV：终极押注

尼康和佳能并不是因为缺乏技术能力而输掉EUV竞赛；两家公司都拥有深厚的光学和半导体专业能力，也都参与过EUV开发。真正将它们与ASML区分开的，是风险承受能力和战略投入程度。EUV需要在多年时间里投入数十亿美元，同时面对一长串尚未解决的技术风险：光源是否最终能够达到足够的功率、集光器能否在实际运行中存活、污染是否会摧毁生产效率、多层反射镜能否达到所需性能、掩模缺陷和光刻胶灵敏度不足的问题能否解决、保护膜是否可行、工作台和套刻性能能否达到要求，以及最终客户是否愿意为由此产生的设备买单。对于一家整个业务都建立在先进光刻之上的公司而言，不进行这场押注，可能才是更大的风险。对于尼康和佳能而言，不去追逐一项可能危及其他更加多元化业务的押注，则是一个理性的决定。

中国的不同路径

中国面临的光刻问题，与尼康和佳能当年面对的问题有着根本不同。尼康和佳能可以理性地决定，与ASML在最尖端领域竞争并不值得承担这种风险，因为两家公司都有其他业务作为退路。如果中国希望拥有自主的先进半导体制造能力，它就没有这种选择；两者面对的激励结构并不可比。

中国正在同时推进两条路线。第一条是追赶路线：193nm DUV，然后是193i，再到越来越激进的多重图形化，大体沿着ASML、尼康和佳能过去已经走过的历史路线前进。

第二条是围绕下一代大规模并行无掩模写入技术展开的跨越式路线，据报道，这一路线建立在多电子束架构相关工作的基础之上，并有经验丰富的电子束架构专家在多年时间里参与其中。如果第二条路线能够在经济上取得成功，中国就不需要完整复现ASML的整个技术历史——KrF、ArF、ArF浸没式、多重图形化、EUV——也能够达到相当的图形化能力。它可以绕过瓶颈，而不是一点一点弥合差距。这也重新定义了真正需要讨论的问题：问题不是中国最终能否复制一台EUV光刻机，而是中国是否真的需要这样做。

数字无掩模光刻的逻辑

无掩模光刻最核心的承诺，是消除传统光刻链条中最昂贵的组成部分之一：光掩模或光罩。传统流程是数字设计→掩模→光学投影→晶圆，而无掩模流程则变成数字设计→直写图形化→晶圆。目前有多种架构正在竞争实现这一目标：多电子束和多电子柱电子束、多光子及其他直写光学方案，以及各种混合方案。

大规模并行电子束曝光的基础物理原理，已经在掩模写入中得到验证，尽管晶圆写入是一个难度明显更高的问题。Mapper Lithography曾沿着这一路线推进，并证明了底层方案的可行性，但在其主要出资人、前ASML联合创始人Arthur Del Prado去世后，公司最终因资金耗尽而失败。随后，ASML收购了Mapper的资产，主要目的是将多电子束技术应用于量测，而不是晶圆写入。

掩模写入和高产量制造（HVM）晶圆直写并不是同一个问题。掩模写入可以容忍低得多的吞吐量，因为一家晶圆厂只需要写少量掩模，而不是每天加工数百片晶圆。要将一种多电子束架构从少数电子束扩展到HVM晶圆写入所需的数千束电子束，会带来层层叠加的困难：随着电子束数量增加，束与束之间的一致性、校准、数据分发、热稳定性和机械稳定性、工作台同步以及电子束干扰都会变得更加困难，同时还必须同时维持CD均匀性、套刻、拼接、缺陷率和设备正常运行时间。这种扩展挑战，正是Multibeam等公司必须面对的核心障碍，也正因为如此，在近期，多电子束架构在低产量制造（LVM）中的经济逻辑，看起来要强于在HVM中的经济逻辑。

写入阵列成为新的“镜头”

传统扫描式光刻机拥有一套极其昂贵的光学链条——光罩、照明系统、投影光学系统、数十个精密元件、缩小投影光学系统——这些部件必须同时控制像差、畸变、波前、CD均匀性、套刻、焦距、偏振、杂散光、透射率以及热稳定性。在EUV和High-NA时代，这成为整个工业界最困难的制造和工程挑战之一。

数字无掩模光刻则将这种架构彻底反转。它不再是数字数据→掩模→缩小投影光学系统→晶圆，而是数字数据→大规模并行写入阵列→晶圆，其中写入阵列本身实际上就成为了掩模。这样可以消除或大幅减少光罩、光罩搬运、光罩检测、保护膜、掩模写入与修复、掩模存储、投影缩小光学系统，以及很大一部分照明光学系统，同时也减少这些系统带来的像差问题。更根本的是，它将复杂性从宏观精密光学系统转移到采用半导体工艺制造的写入阵列之中——这意味着，原则上，写入阵列本身可以受益于它试图颠覆的同一种半导体纳米制造技术进步。

这又可能形成一个属于它自己的经济飞轮：先进纳米制造技术生产出更好的写入阵列；更好的写入阵列实现更高程度的并行化；更高的并行度提高吞吐量；更高吞吐量使无掩模光刻在经济上变得可行；而一套可行的无掩模系统又能够消除昂贵的光学系统和掩模，从而降低系统成本，并进一步降低后续纳米制造的成本。

核心经济问题并不只是能否制造出一个百万束电子束阵列，而是半导体纳米制造能否把写入阵列做得足够便宜、足够高密度，使其成为一个可消耗、可更换的部件，而不是一件极其昂贵的精密仪器。ASML非常清楚这些技术尝试的存在，而且随着这些技术逐渐成熟，它也有能力作出回应；ASML的优势并不来自自满，而在于它已经掌握了现有架构中那些固定存在的复杂性，而颠覆者并不需要重新复制这些复杂性。

因此，真正相关的竞争问题并不是分辨率，而是整体系统经济性——在可接受良率条件下的每片晶圆成本。一套资本成本低大约一个数量级、不需要掩模、拥有相近套刻能力并具备足够吞吐量的无掩模系统，即使其原始写入速度明显低于光学扫描式光刻机，也可能具有颠覆性。对ASML更深层次的挑战，并不是出现一台更好的扫描式光刻机，而是出现一种能够彻底取消“扫描式光刻机+掩模”架构的方案。

试验场：低产量、高混合制造

最适合用于验证一种新型无掩模架构的市场领域，并不是先进逻辑芯片。许多8英寸、6英寸、4英寸、3英寸、2英寸晶圆以及单件器件应用——包括化合物半导体、光子学、MEMS、传感器、射频器件、功率器件、特种模拟器件、研究器件、原型器件以及异构集成——并不需要在2nm节点上与EUV扫描式光刻机竞争。对于这些客户而言，真正相关的问题很简单：一套新系统能否取代缓慢的单束电子束工艺，在不牺牲良率的情况下，将速度提高10倍、50倍甚至100倍。与在高产量制造（HVM）逻辑芯片市场取代ASML相比，这在商业上要容易得多。

这一市场领域同样能够接受一种不同的检测模式。高产量晶圆厂会尽可能减少检测，依赖针对数百万颗相同裸片实施的统计过程控制。而高混合的特种晶圆厂，由于批量较小、设计频繁变化，本来就更接近于对几乎所有产品进行检测——而且由于它们已经习惯于缓慢的电子束写入，因此对一套新系统的性能要求并不是达到ASML级别的吞吐量，而是在保持良率的前提下，相比现有设备实现显著提速。

这就形成了一条天然的技术验证路径：单束电子束→10束/100束/1000束直写→验证重复性、套刻精度、CD控制、缺陷率和良率→客户认证→生产部署→更高束密度→更大晶圆→更高吞吐量→最终进入HVM。每一步都会产生真实的生产数据，而这种数据的价值，要高于只在实验室里展示一个令人印象深刻的电子束数量。

在这一格局中，Multibeam和Resona代表了两种不同的战略押注。Multibeam正试图证明，其现有的多柱/多束架构能够成为一款面向利基应用的可靠生产工具。Resona则在推进一种根本不同的写入阵列架构，从半导体制造侧切入这一问题，据报道其顾问包括曾任ASML高级技术岗位的人员，并规划了一条大约到2030年实现HVM可行性的路径。两家公司都不可能通过首先进攻ASML最强势的市场取得成功；在能够直接与ASML竞争之前，两者都需要建立起支持300mm HVM客户所必需的零部件、服务、工艺和应用生态——这也正是为什么，从ASML目前几乎没有经济动力参与的市场开始，是一种更具防御性的战略。与此同时，Lace和Substrate等公司所推进的基于掩模的替代路线，则面临一个现实问题：考虑到无掩模路线可能会率先覆盖相当大的市场空间，它们能否及时达到HVM水平，从而仍然具备实际意义。

对于一家目前依赖一台传统电子束写入机的小尺寸晶圆实验室来说——其面临资本成本高、吞吐量低、排队时间长、操作人员成本高以及大量工艺认证工作——即使一套新系统只能实现一个数量级的适度改进，也足以让它成为一个极具吸引力的首批客户，因为这套系统并不需要解决一台300mm HVM设备必须解决的所有问题。这使得后续扩展可以作为一个工程问题来推进，而不是一个可信度问题：概念验证→可靠的低产量生产→更大的写入阵列→更高的并行度→更高的吞吐量→更大晶圆→更高产量生产。ASML本身也并不是通过一次性解决所有可以想象得到的光刻问题而建立统治地位的；它是一代一代地通过生产系统建立起自身信誉。下一次光刻技术转型，可能会沿着相同的路径反向展开——从特种制造和低产量制造起步，再逐步向先进硅芯片推进——而它最初的十亿美元级市场机会，可能并不是来自取代某一台EUV设备，而是来自替代特种晶圆厂和研发机构中数以千计小时的缓慢单束电子束写入。

集成光子学：理想的试验场

低产量制造并不意味着低精度。在集成光子学中，关键指标往往会从最小可打印间距，转向边缘放置误差（EPE）、线边粗糙度（LER）、尺寸控制，以及跨超大结构的拼接精度。一个100nm或300nm的波导，并不会仅仅因为它与2nm晶体管相距甚远，就成为一个“简单”的光刻问题：光子器件中纳米级的边缘变化，可以直接转化为波导散射损耗、相位误差、耦合损耗、谐振偏移、偏振效应以及器件间差异。对于许多光子学应用而言，小于2nm的LER/EPE控制，比单纯的分辨率更加重要。

这正是直写式无掩模光刻相对于传统投影光刻具有结构性优势的地方。一台光学扫描式光刻机工作在一个有限的曝光视场之内——光罩、缩小投影光学系统、曝光视场、步进、曝光视场、拼接——任何尺寸大于该视场的器件，都需要极其精确的视场间对准。相比之下，直写架构可以进行连续移动：数字图形→写入阵列→工作台连续运动→任意尺寸的大型图形，其限制主要来自工作台行程、校准能力以及写入阵列尺寸。这对于长距离光波导、大型光子电路、光学相控阵、LiDAR、相干光学系统、硅光子、异构光子、大规模光子加速器、MEMS结构以及晶圆级光互连尤其有价值——对于这些结构而言，随着图形尺寸不断扩大，传统扫描式光刻机有限的曝光视场会变得越来越不自然。

数字图形还消除了每次设计修改都重新制作一套掩模的需要，而在低产量、高混合、设计频繁修改的光子学环境中，这一点意义极其重大。把这些因素结合起来——低产量、高混合生产，严格的EPE和LER要求，大尺寸结构，频繁设计变更，以及接近100%的检测——几乎就构成了验证一种新型数字无掩模架构的理想环境。最初的客户并不需要说：“我要替换我的EUV扫描式光刻机”；他们只需要说：“我要在这一类光子器件上替换我的单束电子束写入机。”一旦这件事能够实现，这项技术就拥有了一条可信的路径，可以逐步进入要求更高的应用领域。集成光子学甚至可能比传统CMOS更适合作为无掩模光刻最初的试验场，恰恰是因为它奖励的是精度和良率，却不要求具备2nm晶体管级别的图形化能力。

结论

ASML的统治地位并非注定如此，也并不纯粹是技术的结果。它来自这样一家公司：只有一个必须成功、否则就会失败的市场，并且一次又一次选择把下一代困难的光刻技术真正推进到一套能够工作、能够交付的系统——从157nm，到193nm浸没式光刻，再到EUV——而与此同时，业务更加多元化的竞争对手则理性地选择了后退。每一代技术都为下一代提供了资金，并进一步加深了生态系统优势，而如今，要弥合这种生态差距，已经远比追平任何单一技术指标更加困难。

下一次真正能够挑战这一地位的力量，不太可能来自一台更好的光学扫描式光刻机。它更有可能来自一种彻底取消掩模和扫描式光刻机的架构——一种数字控制、超大规模并行的写入阵列，它竞争的核心并不是分辨率，而是整个系统的经济性。中国的跨越式发展战略，以及Multibeam和Resona等公司，都代表了这一方向上的早期行动，而最有可能的切入点并不是先进逻辑芯片，而是那些低产量、高混合、对精度高度敏感的市场——化合物半导体、MEMS，尤其是集成光子学——在这些领域，ASML目前几乎没有经济动力参与竞争。

如果一种写入阵列架构能够首先在这些市场中证明自己，并进一步实现规模化，那么从投影光刻向数字纳米制造的转变，最终对未来20年半导体产业的重要性，可能会与从157nm转向193nm浸没式光刻对过去20年产业发展的重要性一样重大。

（来源：编译自ASML ）

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