台积电与ASML的合作，起初是一场技术豪赌，结局是赢家共同登上王座。

作者 | 张思

来源 | 硅基象限

光刻，占芯片制造约一半时间，三分之一成本，而提到光刻机，一定会想到行业龙头，来自荷兰的ASML。

当前，光刻机市场已被ASML、佳能和尼康三家垄断。其中，ASML占据约60%以上份额，佳能和尼康占据剩下市场份额，但在7nm以下芯片制程的光刻机市场，ASML几乎100%垄断。

但ASML，不是光刻概念的发明者，也不是把第一台商用光刻机推向市场的公司，甚至在成立后的20年时间里，都是落在佳能、尼康之后的“追赶者”。

2000年，尼康、佳能把持全球超7成市场份额，ASML排不进前三。而真正将它带上舞台中央的，既是它技术转型引路人，还是它资金受困时的投资者，更是它的最大客户——台积电。

01它们都有同一个“股东“

谈到ASML和台积电的缘分，必须要提到一个重要公司——飞利浦。

ASML比台积电早成立3年，但他们在成立初期都是飞利浦控股公司。

1984年，飞利浦与另一家荷兰设备制造商ASM International合资成立ASML。而1987年，张忠谋创立台积电初期，飞利浦作为股东并提供技术支持。

两家被飞利浦控股的公司，从成立初期就建立合作，台积电购买ASML光刻机用于半导体制造。

不过台积电对于ASML的意义，绝不仅于此。在ASML成立之时，尼康和佳能已在光刻机市场展露头脚，约占40%全球市场份额。而到2000年前后，这两家日本公司已占据超一半以上市场份额。

那ASML是怎么依靠台积电逆袭的呢？

这要从光刻机的历史讲起。70年前，美国仙童半导体公司发明了第一个硅芯片，而最开始的光刻技术可以称作接触式光刻。

光刻，有四个重要的组成部分，光源、凸透镜、掩膜版和光刻胶。

接触式光刻，就是把画着电路图的掩膜版，直接贴在涂满光刻胶的硅片上，然后利用光的折射原理，利用光源通过凸透镜形成的平行光束，照到掩膜版和光刻胶上，掩膜版上的电路图用铬金属绘制，会阻挡光线照到光刻胶，而没有电路图的部分经过光刻胶照射后，会形成溶解于碱性溶液的酸性物质。

之后，用碱性清洗液将被光照到的光刻胶部分洗掉，没有被光照到的光刻胶留在硅片表面，这样就在硅晶片上形成电路图。

这样的问题是，掩膜板损耗大，用几十次就废掉，而且硅晶片上会遗留掩膜版上的杂质，导致良品率低。

于是，行业开始想将掩膜版，和光刻胶之间留下空气间隙，延长掩膜版寿命，提升良品率。

02相机大王成为光刻机大王

此时，相机大王佳能开始进入光刻机市场。

1970年，佳能推出其首款照相复印式光刻机PPC-1，利用光学成像技术，将掩膜板和硅片分离开。光线先穿过掩膜版，再通过一组高精密的凸透镜，将电路图案投影到硅片上。

但随着芯片上的晶体管越来越多，整个硅片越来越大，这种方式遇到一个问题，就是凸透镜成像的边缘和中心清晰度，有很大差异。

1980年，尼康推出步进式光刻机NSR-1010G，采用波长为436nm的g-line光，不再一次性将电路图全部刻画在硅片上，而是每次只对10mm*10mm（1平方厘米）的面积进行刻画，再慢慢移动掩膜和光源。

彼时，日本存储芯片迎来突破发展，东芝、日立、NEC垄断了DRAM内存市场，并疯狂采购尼康光刻机。

在1981年，64K DRAM走向市场，日本公司日立、富士通、NEC分别占据40% 、20%和9%市场份额，在存储市场展露头脚，进入1985年前后，存储技术进入 256K DRAM 以及 1MB DRAM 时代，日本企业在全球 DRAM 市场的占有率飙升至 80% 左右

这也让尼康的步进式光刻机迅速打开市场，一度或得超50%以上市场份额。

1986 年，ASML独立后，推出了升级版的 PAS 2500系列，比尼康晚了6年，不得不成为光刻机市场的“追赶者“。

不过，步进式光刻机也存在问题，利用凸透镜的整个镜片，还是会有边缘不清晰的问题，于是，美国公司SVG研发了步进扫描式光刻机，只利用镜头中心的性能最好的光束，将掩膜版和晶圆同时进行移动，将电路图印到晶圆上。

1990 年，美国另一家半导体设备厂商 SVG（硅谷集团）发布第一台步进扫描式光刻机Micrascan I。

随后，其他企业也开始跟进扫描式光刻机路线。尼康也在1995 年推出首款扫描式光刻机NSR-S201A，在 1997 年，ASML推出第一代步进扫描机PAS 5500/500。

1999 年，尼康紧接着推出了第一台 ArF（193nm波长）的光刻机NSR-S302A。

当作为步进式扫描光刻机发明者——SVG的产品却因为故障率高，且大客户仅有Intel 和 IBM，面临市场和技术难题。

2000年，尼康和佳能合计占有约7成市场份额， 剩下三成则由ASML和美国本土厂商（SVG等）瓜分。

03ASML的“两个小突破”

2000年，ASML也迎来重大技术突破，双工件台技术（TWINSCAN）。

此前，光刻机都只有一个工件台，先放上晶圆开始测量对准，测量完毕开始光刻。而双工件台技术是一个机器进行测量对准，一个机器进行光刻，以此提高工作效率。

ASML凭借双工件台技术开始逆袭。同时，2001年，美国公司SGV终于难以为继，不得已卖身，此时ASML（阿斯麦）出手，以 16 亿美元收购SVG，成功打开美国市场，坐上牌桌。

但真正让ASML走上王者之位的关键节点，在2002年。

光的衍射极限告诉我们，波长越短，光线可以聚得越细，光刻的精度越强。在2002年前，光刻机是“干式光刻机”，光线直接透过透镜聚焦，将电路通过掩膜版和光刻胶印在晶圆上，所以想提高光刻的精度，只能通过缩短光源的波长。

所以，光刻机的光源从采用436nm的g-line和365 nm的i-line，不断演进至248nm的KrF（氟化氪）光源、193nm的ArF（氟化氩）光源。

就在日本尼康、佳能等巨头，计划进军157 nm（F2激光）技术时，遭遇技术瓶颈，157nm技术因为透镜材料易爆裂、无法量产。

这时候“摩尔定律”推不动了。除了芯片设计企业外，掌握芯片制造的台积电最着急。

2002年，台积电的研发处处长林本坚提出，浸没式光刻技术，并开始说服光刻机厂商进行尝试。

ASML在传统光刻市场上，市场份额落后于尼康，于是决定接受林本坚的方案，砍掉157nm项目，与台积电合作研发 193nm浸没式光刻机。

正是这场合作，彻底改变了ASML的命运。

两年后，ASML在推出第一台浸没式光刻样机（Twinscan XT:1150i），但当时，尼康、佳能因为已投入了巨额资金研发157nm机器，所以拒绝转产浸没式。

在2006年后，ASML凭借浸没式光刻机，成为全球光刻机的主要供应商。

2012 年，台积电又一次为ASML投资。当时，ASML推出客户联合投资计划，筹集资金研发EUV（极紫外光）光刻机，台积电通过资金入股的形式，支持其研发。

此后，ASML收购制造光源的美国公司 Cymer ，并在随后的几年里攻克了 EUV 技术，并在2015 年，发布第一台商用 EUV 光刻机。

当前，EUV光刻技术逐渐成为主流，EUV光刻使用13.5nm波长的光源，能够实现7纳米及以下的工艺制程，而ASML也成为光刻机的绝对霸主。

商业上的强强联手，往往不是找个最强的合作伙伴，而是最合适的那个。

       原文标题 : 让ASML登上光刻机王位的，居然是“台积电”？