佳能尼康，是怎么被ASML甩开的

10 月，光刻机大厂佳能（Canon）公司通过新闻稿宣布，其已经开始销售基于「纳米印刷」（Nanoprinted lithography）技术的芯片生产设备 FPA-1200NZ2C。佳能表示，该设备采用不同于复杂光刻技术的方案，可以制造 5nm 芯片。

消息一出，不少人发现这种设备已经达到了 EUV 光刻机的水平，甚至将颠覆行业巨头 ASML。自从 ASML 成功取代尼康佳能，成为高端光刻机的唯一王者之后，这还是第一次传出这么震撼的消息。

日本的光刻机，从称霸到被甩开，经历了什么？

来自上个世纪的光鲜

上世纪末，尼康是当之无愧的光刻机王者，光刻机市场占有率一度超过 50%。

半导体诞生于美国，同时衍生出了当时的光刻机三巨头 GCA、优特、珀金埃尔默，其中 GCA 造出了第一台可重复曝光光刻机，在 20 世纪 60 年代占据 60-70% 市场份额。但是随着全球半导体产业中心的转移，也就是当年有名的「美日之争」，日本半导体开始崛起，市场份额一度超过了美国。在这个背景下，日本光刻机产业也发展起来了，尼康光刻机逐渐超过美企 GCA。

首先谈谈尼康。尼康的定位比佳能更理想，在光学和机械方面都拥有专业知识。自 1925 年以来，他们一直在销售医用光学显微镜，并为天文台制造大型高精度机械望远镜。

佳能在高精度机械方面没有尼康的经验。但他们确实有创业热情。早在 1970 年，该公司就开始为 IC 行业开发对准器 Micron 项目。当项目成员来访佳能的时候，他们的第一款矫正器 PLA 系列已经上市三年了。但由于佳能工程师在高精度机械方面的缺陷，首款产品 1973 年推出的 PLA 300 并不具有市场竞争力。它的对准器有一些精度问题。

VLSI 项目联系了佳能并委托使用一种称为接近对准器的对准器。这使用了一种较旧的光刻技术，在光掩模和基板之间有间隙。这一劳动成果，PLA-500 和 600 系列，引起了巨大的轰动，某些机器在此后被使用了数十年。

佳能也希望有机会开发光刻机。但佳能没有资源来完成这两个项目。因此，尼康代替了佳能在 1977 年受委托开发光刻机。他们以前从未做过这样的事情，但 VLSI 项目成员在需求方面与他们密切合作。

事实上，佳能和尼康并不是日本 VLSI「复仇者联盟」的成员。两家公司并不了解各个「超级英雄」之间的内部讨论。冒险进入新行业和新产品线的公司经常面临一个困境：「我们如何获得资金来开发这个产品？谁来为我们蹩脚的第一次迭代买单？」

日本政府基本上表示他们将「投资」最终产品。他们愿意为最终产品的过程中蹩脚的第一次、第二次和第三次迭代付出代价。这很像英特尔、台积电和三星多年来贡献数十亿美元来资助 ASML 艰难的 EUV 商业化之旅。

其次，VLSI 成员明确提出了他们的需求，并愿意与供应商密切合作以实现这一目标。这个需求是很重要的。

尼康首先从 GCA 购买了一台机器开始进行步进开发。GCA 将其运送给他们，因为允许向日本出口技术。尼康将其拆开，研究了每一部分，然后拼凑了一个以相同方式工作的尼康原型。当然，第一个原型的效果非常糟糕。但 VLSI 项目成员并没有将整个事情放弃，而是致力于与公司密切合作，以使其变得更好。该项目解散后，佳能和尼康现在都拥有了他们知道可以赢得市场的产品。

日本市场爆炸式增长

超大规模集成电路项目成功启动了日本本土半导体产业——建造大型工厂来生产最先进的存储芯片。从 1980 年到 1982 年，日本光刻产业增长了 66%。相比之下，美国同期仅增长 10%。

日本公司利用其优化工业和制造工作流程的技能，迅速占据市场领先地位，比如说在 64kb DRAM 方面击败美国同行。

光刻也是如此。日本人能够以更优惠的价格使成熟技术得到了更广阔的市场。佳能开发出能够达到 2-3 微米设计规则的接近对准仪，震惊了整个行业，而许多专家认为这是不可能的。

然后在 1980 年，尼康向市场发布了 VLSI 项目的工作成果：NSR-1010G 步进机。第一批客户是 NEC 和东芝，他们发现它非常适合他们当前的生产线。

日本市场的爆发式增长让美国光刻机制造商措手不及。1981 年是美国经济衰退的一年。GCA 试图提高产量，但他们唯一的光学供应商 Carl Zeiss 无法足够快地生产镜头。随着交货延误的时间不断延长，日本半导体制造商已经等不及了。日本自己开始做自己的供应商，所以尼康一年内就抢走了 20% 的市场份额。美国各类半导体生产设备的市场份额都大幅下降。

战争结束了。美国光刻产业萎缩、消亡。

佳能光刻机始于佳能创始人生产世界上最好的相机的梦想。要做到这一点，他们知道积极的光学技术是关键。1965 年，佳能将其在半导体光学技术方面的实力运用到了。他们的所有努力都得到了回报，U170mmF1.8 的诞生。为了支持这种独一无二的镜头的开发和大规模制造，佳能冒险开发半导体光刻设备。佳能需要生产大量具有统一图案的镜头，并通过光学方式转移到晶圆上，以创建半导体集成电路，因此，佳能 PPC-1 于 1970 年诞生。PPC-1 是佳能首款半导体生产镜头。它是一款 1:1 投影掩模对准机，可用于 2 英寸晶圆。它需要手动对齐。

1974 年，PLA-300F 诞生。它支持自动晶圆进给，并且可以比 PPC-1 更高的速度进行生产。

1977 年，佳能推出了 PLA-500FA，世界上第一台基于激光的自动对准系统。此后不久，MPA-500FAb 诞生了。MPA-500FAb 使用镜面投影成功创建了高达 5 英寸的高分辨率电路。对能够支持 6 英寸晶圆的设备的需求促使 MPA-600FA 和 MPA-600Super 的诞生。

1984 年，第一台佳能步进机以 FPA-1500 FA 的名义问世。它使用 g 线作为光源，随后是 1990 年使用 i 线的 FPA-2000i1，然后是 1997 年使用 Krf 准分子激光器的 FPA-3000EX4。

来源：佳能官网

1984 年，ASML 刚刚成立。步进式光刻机的打击，不甘认输的它把最后的赌注压在极紫外光源上，开发 EUV 光刻机。ASML 又利用 10 年的时间，才最终研发出了 EUV。

争夺与甩开

从 90 年代开始，光刻机竞争的主战场成为了光源波长的竞争。光源波长从 365nm 降低到了 193nm，对应的制程也从 800~250nm 减小到 130~65nm。随着摩尔定律的推进，下一个节点 157nm 波长的光源却一直没做出来。

到了 2002 年 7 月，台积电的林本坚博士在布鲁塞尔举办的 157nm 微影技术研讨会上提出了「浸润原理」的专题演讲。在传统的光刻技术中，镜头与光刻胶之间的介质是空气，林本坚提出的这种方法就是在光刻胶上方加一层水，利用光通过液体介质后波长缩短来提高分辨率，这个方法后来被称为「浸没式光刻」，采用这种方法能够在不改变光刻机波长的情况下做出等效 134nm 的波长。

尼康并没有采纳这个原理，因为如果采用就得重新设计整个系统，设计、调整系统需要花费很长时间，并且当时的尼康研发干式 157nm 也已经投入了巨额的研发费用，一时半会很难更改研究方向。

2004 年，ASML 和台积电共同研发的浸没式光刻机诞生。由于这种光刻机可以在成熟的 193nm 设备上进行改造，所以设备的稳定性明显优于同期尼康推出的 157nm「干刻」光刻机，也降低了客户的开销。这种浸没式光刻机也将芯片制程节点进一步提高，通常可以做 45nm 到 7nm 的芯片了，顶尖高端的能做到 5nm。ASML 便从 2004 年开始逆袭，到了 2009 年，它的市场份额已经达到了 70%。

到了 2007 年，浸没式光刻机已经成为 45nm 以下芯片制成的主流选择。不过这种光刻机还是使用的 DUV，即深紫外光源，所以都属于 DUV 光刻机。尼康在此关键节点上由于错误的判断，短短几年时间就痛失了行业领先地位，不过多年的老大技术底蕴还是有的。尼康后来也随大流搞了浸没式光刻机，最新的液浸式扫描光刻机 NSR-S635E，能达到 5nm 制程，可以与 ASML 的高端 DUV 光刻机 NXT2000i 一较高下。

在 2022 年的全球光刻机市场中，ASML 以其技术优势和产品竞争力在市场上占据了绝对优势，获得了 82.4% 的市场份额。佳能和尼康分别以 10.2% 和 7.65% 的市场份额稳居第二和第三位。这三家厂商合计的市场份额接近 100%，彰显了它们在光刻机领域的主导地位。

如今，佳能表示，这套生产设备的工作原理和行业领导者 ASML 的光刻机不同，其并不利用光学图像投影的原理将集成电路的微观结构转移到硅晶圆上，而是更类似于印刷技术，直接通过压印形成图案。

具体来说，所谓 NIL，就是在模板上设计并制造好电子回路图案，通过像盖章一样的压印技术，转移到涂有刻胶的硅基板上，再通过刻胶固化使模板脱落，从而完成整个完整的电路回路。1995 年，华裔科学家周郁教授首次提出纳米压印概念，从此揭开了 NIL 技术的研究序幕。

经过 20 多年的发展，NIL 在晶圆级光学系统的制作中得到了广泛应用。

到了 2014 年，佳能收购了一家名为 MII 的美国纳米压印基础技术研发公司，从而开始了十多年的研究之路。

从介绍来看，NIL 技术完全依赖物理特性，基于机械复制，不受光衍射现象的限制。因此只要能设计出电路图案，完全可以实现低于 5nm 的分辨率。

据佳能介绍，佳能 NIL 技术已经可以实现最小实际线宽 14nm 的电路图案，类比我们熟知的 5nm 工艺，而随着技术进一步改进，最小有望实现 10nm 的电路图案，也就是 2nm 工艺。

因此目前搭载最新 NIL 技术的 FPA-1200NZ2C，自然成了外界口中媲美 ASML 的「5nm 光刻机」。事实上，佳能的 NIL 光刻机已经得到了下游客户的验证，包括日系存储公司铠侠在内，已经将 NIL 技术运用在 15nm NAND 闪存器上，并计划在 2025 年推出应用 NIL 技术的 5nm 芯片。

尼康也在积极拓展大陆市场，为提升光刻机市场实力，尼康还将推出适应 3D 堆叠结构器件如存储半导体、图像传感器制造需求的光刻机新产品，已提高其在成熟制程设备市场的竞争力。

但如果说，佳能尼康是否可以重回王座，还是前途坎坷的。