ASML的故事：从飞利浦弃儿到光刻之王

　　近日，荷兰光刻机巨头ASML宣布：其联席总裁兼首席执行官皮特·温宁克 (PeterWennink)及联席总裁兼首席技术官马丁·范登布林克(Mar-tinvandenBrink)将于 2024年4月24日退休。现任首席商务官兼管理委员会成员克里斯托弗·富凯(ChristopheFouquet)将可能会成为公司的下一任总裁兼 CEO——当然，这还需要经过2024年4月24日的年度股东大会的最终批准。

　　温宁克和范登布林克从2013年接任ASML的总裁，至今已经十年。这十年，是ASML成立以来最辉煌的十年。在这个时间点上，回顾一下这家公司从几近破产的小公司成长为业界巨头的过程，是非常有意义的。

　　光刻往事

　　要讲ASML的故事，我们有必要先花点篇幅来介绍一些与光刻技术及光刻机相关的背景知识。

　　严格来说，我们将这项技术称为“光刻”是有误导性的。它并不是像很多人想象的那样用激光在硅片上刻图，而更像是一种照相曝光和印刷技术的组合。

　　光刻的英文是Photolithography，从构词上容易看出，这个词脱胎于Lithography，即“石版印刷术”。

　　“石版印刷术”的要害之处在于用化学的方法在要画的图案上涂上油墨，而让其他地方保持空白。与之类似的，光刻的要害则在于用化学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“石版印刷术”中，人们用的是油脂、树胶和水来实现这一点，而在光刻过程中，人们则是通过光和光刻胶来实现。

　　大家知道，芯片的制作过程很大程度上是一个在硅片上雕刻出复杂电路的过程。仿照石版印刷的思路，可以先在硅片上画上想要的图案，并将它保留下来。为了达到这一点，我们需要先在硅片上涂上一层含有光致敏剂的光刻胶。然后再借用光学技术将带电路图的掩膜(mask)按比例缩小后投射到硅片上。在光照到的地方，光刻胶就会产生变化，形成一道保护层。在经过曝光之后，就可以用含氯或氟的气体对硅片进行蚀刻(Etching)。这样，有保护层的地方的硅就会保留下来，而其余部分的硅则会被侵蚀掉，我们需要的电路就被刻到了硅片上。

　　从历史上看，光刻技术出现的时间比芯片还要早。1955年，贝尔实验室的科学家卡尔·弗洛希(CarlFrosch)和林肯·德里克(LincolnDerick)发现了一种对硅扩散进行表面保护和选择性屏蔽的技术。这种技术在硅的表面生成凝聚态的氧化膜，并在其上面蚀刻出窗口图形。这样，杂质原子就只能够从窗口扩散到硅衬底中去，而覆盖了氧化膜的硅则会被保护起来。1957年，物理学家杰伊·拉特罗普(JayLathrop)和詹姆斯·纳尔(JamesNall)通过改造的显微镜反射光线，得以将复杂的电路图缩小投射到硅片上。在发表关于这项技术的论文时，拉特罗普和纳尔将它命名为Photolithography——很显然，在命名时，他们刻意将这种技术和古老的石版印刷技术进行了类比。有意思的是，后来拉特罗普曾认为这个名字用得并不得当，因为事实上在加工过程中起作用的是“蚀刻”而非印刷，但这个名字是如此生动而深入人心，因而后来一直被沿用了下来。

　　随着半导体产业的兴起，光刻这种便捷、实用的硅片加工技术的需求变得越来越大，于是商业化的光刻机就有了它的市场。1961年，美国地球物理公司(GeophsicalCorporationofAmerica，简称GCA公司)的子公司大卫·曼恩公司(DavidMann)造出了世界上第一台商用光刻机——971型光刻机。虽然从现在的角度看，这台光刻机的性能存在着很多不足，但在当时，它已经可以很好地满足业界的需要。因此，包括IBM、德州仪器，以及飞利浦公司在内的半导体产业制造企业都争相采购这款光刻机，GCA也因此获得了巨大的商业成功。从此开始，光刻机本身也形成了一个独立的产业。

　　并不被看好的业务

　　回到ASML的故事。作为一家独立的公司，ASML成立于1984年。但在它独立之前，其前身飞利浦公司的物理实验室(简称Natlab)却已经与光刻机打了数十年的交道。

　　1962年底，Natlab的一个考察团赴美国参观了贝尔实验室。参观期间，贝尔的研究人员向他们展示了自己开发的半导体芯片。这些芯片的精巧做工让考察团的成员们惊叹不已。考察团成员、Natlab的主任皮特·哈依曼(PietHaaijman)将一块芯片带回了欧洲，并让实验室的研究人员好好对其进行研究。一位刚入职不久的研究员弗利茨·克洛斯特曼(FritsKlostermann)在通过显微镜详细观察了这枚芯片后，感叹这个小小的元件简直就像一只“闪耀着彩虹般光彩的怪异昆虫”。

　　不久后，克洛斯特曼被调到了实验室的光化学研究小组。这个小组的任务是为飞利浦开发光刻机。1963年5月，飞利浦从大卫·曼恩公司重金购入了一台1080型光刻机。作为技术服务人员，克洛斯特曼对这架机器进行了组装。通过这番实践，他详细了解了这款先进机器的结构，也发现了它的种种缺陷，这些都为他日后开发光刻机奠定了基础。不久之后，他又作为采购人员访问了美国多家光刻机厂，对当时各种先进光刻机的技术特性进行了深入的了解。

　　1966年，克洛斯特曼终于获准自行研发光刻机。1967年，他就做出了一台重复曝光光刻机的原型机，并将其在Natlab的展览会上展出。遗憾的是，当时飞利浦的高层并不重视这个重要的研发成果。此后，Natlab在光刻机的研发上还取得了很多成绩。但遗憾的是，由于公司的高层对光刻机项目并不重视，导致这些研究成果没能很好地转化为现实的产品，更无法转化为经济收益。

　　抛弃和新生

　　上世纪80年代初，飞利浦自身的财务状况陷入困境，出于降本增效的考虑，就打算出售其光刻机等非核心业务。起初，飞利浦的计划是让某个大型的光刻机厂商来“接盘”，但几个相关大公司都没任何兴趣。

　　这个时候，一家名不见经传的公司“先进半导体材料国际有限公司”(Ad-vancedSemiconductorMaterialsInter-nationalLtd.，简称ASM)出现了。ASM的创始人阿瑟·德尔·普拉多(ArthurdelPrado)出生于印尼，其父母都是荷兰人。“二战”时，他曾被关入集中营。战争结束后，他回到荷兰，并学习了经济学和化学。随后，又赴美在哈佛商学院进行了深造。从哈佛毕业后，他游历了硅谷，目睹了半导体产业的蓬勃发展，就回到荷兰进行创业。在他听说飞利浦有意出让光刻机业务后，曾多次找上门试图寻求合作，然而，飞利浦又岂会看得起这家新创的小公司?所以，这个合作一直没有成功。

　　1983年，飞利浦的光刻机业务已几近穷途末路。就在这时，飞利浦科学与工业部(S&I)的技术董事乔治·德·克鲁伊夫在报纸上看到了一篇介绍ASM的报道。他发现，此刻的ASM早已不是当初主动上门来求合作的那家小作坊，已经成为了一家在美国纳斯达克上市的大公司。于是，他赶紧向公司高层报告，表示可以尝试和德尔·普拉多谈一下。早已为财务困境烦恼不已的飞利浦高层此时也顾不得矜持，马上就同意了这个建议。

　　双方很快决定了合作方案：由飞利浦和德尔·普拉多分别出资210万美元，成立一家新的公司，双方在新公司各占50%的股份。这家新的合资公司被命名为“先进半导体材料光刻公司”(AdvancedSemiconductorMaterialLithography)，也就是后来大名鼎鼎的光刻巨头ASML。

　　走过最初的黑暗

　　在ASML成立之初，它的日子非常不好过。这时的半导体芯片江湖已经进入了一个新的时代。从上世纪70年代末开始，日本的半导体产业开始在通产省的产业政策支持之下迅速发展，日立、三菱、富士通、东芝、日本电气等企业强势崛起，成为整个芯片行业内举足轻重的角色。与此同时，尼康、佳能等企业则开始进入光刻机的生产行列，并凭借质优价廉将老牌的美国光刻机厂商打得节节败退。

　　与当时野蛮生长的日本光刻机厂商相比，新生的ASML简直不足一提。这家新公司的最初员工总共只有47人，都是从飞利浦的Natlab“优化”而来的，本来就没什么斗志。他们的办公室被安排在飞利浦大厦前的简易木棚房内，可谓一番破败景象。

　　如何才能让这个新公司实现破局呢?德尔·普拉多认为，最重要的是要找一个靠谱的CEO。那么，谁才能胜任，并且愿意出任这个职位呢?猎头向他推荐了贾特·斯密特(GjaltSmit)。

　　斯密特是一位充满激情、热爱自由的人物。他是磁流体工程学硕士和天体物理博士，并曾在欧洲航天局工作。对于飞利浦来说，他其实不算新人。因为在1969年时，他曾加入这家公司，但不久后，就因受不了公司的官僚作风而辞职离开。此时，他的职位是美国电话电报公司驻荷兰的销售负责人。在过去的四年中，他的工作十分出色，帮助公司取得了政府的巨额订单。当德尔·普拉多见到斯密特后，马上就被斯密特表现出的商业直觉所吸引，认为他就是自己要找的人。倒是斯密特在听说飞利浦占据ASML的一半股份后，表示出了犹豫。他对德尔·普拉多说，他钦佩飞利浦的技术，但在商业和营销上，那里是一团糟。不过，德尔·普拉多早已认准了斯密特就是对的人，他很快说服飞利浦方面，让斯密特出任ASML的CEO，而斯密特在一番推辞之后也最终接受了这个职位。

　　怎么才能让ASML迅速振作起来呢?斯密特认为，最重要的突破口是要尽快找到客户。为了寻找客户，他于1984年5月底来到了美国加州圣马特奥参加西部半导体展览会(SEMICONWest)，并拜访了多家芯片巨头。拜访的结果让他沮丧。几乎所有的芯片巨头都表示，他们在选择光刻机供应商时会非常在乎对方的销售量。原因很简单：对于使用者而言，光刻机的售后维修和保养是十分重要的，而只有那些销售量达到一定规模的光刻机厂商才有可能负担起专业的售后团队——事实上，日本光刻机厂商之所以可以在短时间内抢到巨大的市场份额，就是因为它们有极为优秀的售后服务。然而，这一切对仍处在一穷二白阶段的ASML来说，显然是难以企及的。

　　不过，通过和芯片巨头们的交谈，他也发现了一个重要的信息：当时，芯片已经从大规模集成电路(LSI)发展到了超大规模集成电路(VLSI)，芯片线路将缩小到1微米以下。如果按照摩尔定律，那么在两年之后，芯片的制造就要求能够实现0.7微米以下的成像，但包括尼康、佳能、CGA在内的所有光刻机当时都还不能达到这一精度。

　　斯密特认识到，如果ASML可以弯道超车，率先实现这种新光刻机的生产，就可以成功在市场上站住脚。根据ASML工程师们的估计，想要在两年内开发这样一个新光刻机，投入的成本大约需要1亿美元，在他们看来，ASML的董事会显然不会批准这么大的一笔投入。这时，斯密特的销售经验就发挥了作用。凭借着他的三寸不烂之舌，董事会竟十分意外地同意了这个方案，并且让飞利浦和ASM先各拿出150万美元来作为第一笔资金。

　　得到了董事会的支持之后，斯密特马上启动了计划。他预先将新产品的名字定为PAS2500，并计划在1986年的西部半导体展览会上展示新的机器。

　　在斯密特的带领之下，原本一团散沙的ASML团队终于重新燃起了斗志。不过，这时候，市场的情况出现了变化。随着经济的衰退，芯片制造商们在购买光刻机时变得越来越谨慎。这让斯密特认识到，如果完全把宝押在两年后的PAS2500上，ASML可能早就倒闭了。为了提早打开局面，他们必须先拿出一款过渡性的产品。

　　在ASML工程师夜以继日的努力之下，过渡性质的PAS2400仅用了半年就生产了出来。相对于当时市面上主流光刻机适用的液压机台，PAS2400采用了Natlab的电动机台，从而可以让光刻过程中的调节更加准确。

　　1985年，斯密特带着PAS2400来到了西部半导体展览会进行展示。在展会上，PAS2400的表现非常出色，整个展会期间，一直正常运作。相比之下，其他光刻机厂商演示的产品却经常出现各种问题。但尽管如此，并没有任何订单在会上达成。

　　进入1986年，ASML的命运似乎终于迎来了拐点。当年年初，它终于迎来了自己的第一个客户——一家叫MMI的小型芯片制造商，它购买了几台PAS2400。这样，ASML终于实现了销售上的零的突破。

　　当年5月，PAS2500也终于开发完成。当斯密特带着PAS2500来到西部半导体展览会上时，这款新产品马上吸引了人们的注意。赛普拉斯(Cy-press)公司的CEO在看过PAS2500后，对其性能表示非常满意，并表示出了购买意向。不过，他的条件是要求ASML买一些自己公司的股票，以确保双方的利益绑定。这样，如果ASML的光刻机出了问题，它自己也会受到损失。按照公司的规定，这有些困难。但对于变通的斯密特来说，这并不是问题，他指示公司的CFO很快向NMB银行贷款解决了股份购买的资金。

　　斯密特还想要更多。此前，AMD的创始人杰瑞·桑德斯(JerrySanders)曾抱怨美国产的光刻机质量太差，因而不得不购买日本的产品。斯密特知道此事后，立马让人在报纸上登广告向桑德斯“表白”说：“我们听见了你的话，杰瑞。”在1986年的西部半导体展览会上，斯密特又亲自带着资料找到了桑德斯，向其兜售PAS2500。桑德斯对PAS2500非常感兴趣，但在最后一刻决定没有购买，原因是行业不好，AMD也缺钱。

　　戏剧性的是，在一年之后，一切又峰回路转，AMD主动找到了ASML要求购买光刻机。原因很离奇：AMD收购了MMI，在盘点其固定资产时，发现MMI购买的其他品牌光刻机已经不能再使用，而那几台PAS2400却依然正常工作。就这样，ASML终于靠自己过硬的质量赢得了AMD。

　　不过，当ASML正在向好的方向转变时，斯密特的地位却变得岌岌可危。尽管已经获得了一部分订单，但由于前期的巨量投入，ASML亏损严重，这让两家母公司不堪重负，就连德尔·普拉多也开始抱怨ASML的无止境烧钱。就在这个时候，德国的LeyboldHeraeus公司向斯密特抛出了橄榄枝，于是他就很识趣地从ASML主动辞职了。

　　从历史的角度看，斯密特是ASML历史上绕不过去的一个角色。正是他带领ASML走过了最困难的时光，也是他为ASML注入了精益求精、用技术优势来占领市场的公司精神。

　　逆天转运

　　1988年春季，ASML已经发不出工资，最终靠飞利浦投入的130万美元才勉强度过了难关。更为糟糕的是，ASM也被ASML的无止境烧钱拖垮了。为了避免公司破产，ASM不得不从ASML撤资，其在ASML中的股份与债务由飞利浦继承。

　　就在ASML几乎走到山穷水尽的时候，一笔大单却意外地从天而降了：刚成立不久的台积电要购买17台新的PAS2500。坦白说，这笔订单多少有些关系性质。台积电成立时，飞利浦曾通过技术入股的方式获得了其27.5%的股份，因而从某种意义上讲，台积电和ASML有“兄弟”关系——不过，这种关系也有坏处，因为它在很大程度上束缚了ASML和台积电的谈判空间。1988年底，当台积电的新生产线快要布置完毕时，意外遭遇了一场大火，大批原先向ASML订购的PAS2500由此受损。因此，台积电发来了新机器的订单。然而，很多在这场火灾中受损的机器其实被破坏程度非常小，因而ASML实际上是回收了多数机器，并凭空多了一大笔订单。由于有了这笔订单，ASML在光刻机市场上的份额增加到了15%。

　　但ASML先前倾注了巨大心血的PAS2500并没有如预期的那样受市场欢迎。到1989年年中，ASML的市场份额重新跌回了6%，在主要光刻机厂商中位列倒数第二。而这样的原因，很大程度上是随着芯片需求的增加，芯片制造商需要加工的晶圆规格已经从6英寸增加到了8英寸，但包括PAS2500在内的所有型号ASML光刻机还不能加工8英寸的晶圆。在这样的情况下，要实现根本破局，就必须尽快搞出新产品。

　　这个艰巨的任务落到了范登布林克——也就是本文开始提到的那位即将辞任的首席技术官身上。作为新机器的架构设计师，他被命令要在三个月内拿出新机器的方案。临危受命的他为了赶时间，干脆在公司对面的会计师事务所找了一间安静的房间，在里面夜以继日地进行工作，终于赶在期限拿出了新机器PAS5500的方案。

　　和市场上流行的所有光刻机都不同，PAS5500是一台模块化的光刻机，它的组件可以更换。由于光刻机的使用损耗非常大，所以在过去的整体架构下，芯片厂商经常会因一个零件的损坏而更换一整台光刻机，而PAS5500的设计显然可以解决这个问题。

　　虽然PAS5500的设计很快完成了，但第一台机器的交货却是1991年的事了。在这中间，ASML处理了大量供应链方面的问题。第一台机器的买家是IBM，这时它已经是全球最大的半导体制造商，ASML的销售团队经过了很大的努力，才敲开了它的大门。事实证明，当成功地把好的产品卖给这样的买家时，ASML的转机就真的来了。

　　1992年，ASML的营收已经从前一年的8100万美元上升到了1.19亿美元，虽然由于前期研发的巨量投入，总体上依然是亏损，但幅度已经大大收窄。从1993年开始，ASML的收入就出现了飞速增长，利润也开始转正。

　　1995年，ASML成功在纳斯达克上市。到此为止，这家一度濒临破产的公司已经成长为真正的光刻机巨头了。

　　光刻之王的加冕

　　那么，ASML又是如何最终超越尼康、佳能等日本的光刻巨头，最终加冕为光刻之王的呢?这其实多少有一点偶然的成分。

　　在光刻机行业中，有一个重要的“瑞利法则”(RayleighCriterion)：光刻机可以处理的临界尺寸与使用光源的波长成正比，与数值孔径成反比。随着芯片行业的发展，制造商们需要处理的电路尺寸越来越小，因而对光源的波长要求也就越来越高。

　　从上世纪末开始，光源的波长一直被卡在了193纳米。那么，怎么才能获得更短波长的光源呢?当时，台积电的林本坚提出了一个方案，将晶圆的光刻胶上增加1毫米厚的水，从而将193纳米的光折射成134纳米的光。基于这一原理，他提出了浸入式光刻机的构思。由于台积电和ASML的“亲缘”关系，以及过去的长期合作，所以在这个构思提出后，机器的制造工作就自然交给了ASML。

　　虽然浸入式光刻机的构思非常巧妙，但从工程角度看，它并不难完成。ASML很快就按照设计制造出了134纳米波长光源的浸入式光刻机，并凭借这台设备一举击败了尼康。尽管几乎同时，尼康经过研发，也突破了193纳米的关口，开发出了157纳米波长光源的光刻机，但市场是残酷的。包括IBM、英特尔在内的很多大客户抛弃尼康，转投ASML。

　　但ASML并没有满足。为了巩固地位，它在开发浸入式光刻机的同时，就已经向极紫外光源，也就是EUV发起了挑战。在这个阶段，ASML的运气可谓爆棚。当时，美国是最热心EUV研发的国家，以英特尔为代表的一些企业成立了一个EUV联盟，很多与之相关的技术和专利来自于这个联盟。但由于美国和日本之间贸易关系的恶化，所以日本企业被排除在了这个联盟之外。相比之下，ASML虽然也是外国公司，但考虑到其人畜无害的形象，所以被接纳到了这个联盟当中。

　　ASML在这个联盟中获得了很多有用的信息，并很快摸索出了一种新的EUV产生方法：用激光轰击锡珠，让其化为等离子态，从而产生EUV。基于这个方法，ASML于2010年推出了第一台EUV样机。

　　不过，将样机变为可以销售的商品还需要很多投入，预期的投入可能达到每年10亿欧元，以ASML的财力并没有能力独自完成这一切。为了解决这个问题，它邀请了英特尔、三星和台积电入股共同研发。终于，在2013年，量产的EUV光刻机NEX:3300B面世了——也就在这一年，温宁克和范登布林克接过了公司的领导权。此后，在这两位联席总裁的领导下，ASML继续高歌猛进，于2017年推出了TWINSCANNXE:3400B，将光刻机的制程(即最小的电路栅格间距离)从7纳米推到了5纳米。而由此，ASML的光刻霸主地位也最终确定。