如果说台积电是整个芯片行业的核心制造企业，那么它用来满足各路最尖端客户需求的核心装备则是光刻机，而全世界生产这种最高端设备的企业只有一家，就是荷兰的阿斯麦尔公司（ASML），它在极紫外光刻领域拥有事实上的垄断地位，主力的EUV光刻机单台售价几亿美元，并且占据了90%的市场。目前ASML的市值超过7000亿美元，虽然在美股上不了前十，但绝对是欧洲市值排名第一的科技公司。
图源：ASML
起源
ASML 的前身是荷兰消费电子巨头飞利浦公司。20 世纪 70 年代，飞利浦占据了全球电子市场约 20% 的份额，是一家领先的芯片制造商。那时候，光刻机使用超过 400 纳米的波长来制作 1000 纳米的特征图案。业界一直在努力缩小特征尺寸，同时还要保证精度，并防止灰尘和蚀刻缺陷的干扰。没有成型的现成设备能用，飞利浦开始利用其在光学和精密机械方面的专业知识，研发自己的原型机。到了 20 世纪 80 年代初，该项目停滞不前，内部评估完成机器的研发和生产需要的经费太高，换算成现在的汇率将超过 2.8 亿美元。
1984年，飞利浦与荷兰半导体设备制造商ASM International合资成立了先进半导体材料光刻公司（ Advanced Semiconductor Materials Lithography ，后来简称ASML）。公司成立之初举步维艰，既没有市场份额，也没有品牌知名度。其首款产品PAS 2000以失败告终。这款机器采用类似动力转向系统的液压构件来驱动晶圆工作台，而非使用电动机。虽然这种方式运行更加平稳精准，但却容易发生漏油。在ASML参加的第一次行业会议上，一位其他企业的高管对他们说：“竞争已经结束了，你们没有立足之地了。”从那之后ASML不得不全部改为电动路线。
如果说液压系统是他们的败笔，那ASML做对的地方则是模块化整合和外包。当日本巨头尼康和佳能坚持实行垂直整合时，ASML却将光学元件和电机等关键部件外包，以便专注于总装和优化最终产品。这种做法在欧洲制造业圈内遭到了嘲笑。德国工程师警告ASML的管理层，如果不能自行生产关键部件，就是在“自找麻烦”，而且会“失去所有控制权”。但ASML别无选择：时间、人才和经费都有限，实在没办法从头开始一切都自己研发了。
即便采取了这种路线，到了1988年，ASML还是濒临破产。合作方ASM International已经撤资，飞利浦也曾考虑关闭ASML。最终，飞利浦董事会成员格尔德·洛伦茨力挽狂澜，拯救了ASML。他认为，欧洲需要在芯片制造领域占有一席之地，眼光要放到与亚洲和北美竞争的高度上，而不仅仅是一个盈利项目的成败。这套“宏大叙事”说服飞利浦高层，同意再给ASML一些时间。
经过3年的打磨，他们的耐心迎来了初步的曙光。ASML开发的PAS 5500 成功上市，该产品于1991年发布，是该公司首款突破性产品。虽然竞争对手日本尼康当时的同代光刻系统精度更高，但ASML的模块化设计意味着设备可以现场快速维修，大幅减少了停机时间，并且由于部件损坏后易于更换，延长了机整机的使用寿命。正是这一点促使IBM半导体研发总监约翰·凯利力荐IBM采购了PAS 5500而非日本的同类产品。ASML终于拿下了第一份战略性订单。这台设备是如此的经典，直到今天，PAS 5500 依然在全球许多晶圆厂里服役，甚至在二手市场上单台还能卖出几百万美元的高价，这在电子行业简直不可思议。
ASML 经典功臣 PAS 5500 系统.
图源：Chip History
最初的突破
ASML后续的成功来自于上世纪90年代末和本世纪初的两个项目，这两个项目使其在研发领域获得了巨大的优势。
第一个项目是1997年启动的公私合作项目——极紫外线有限责任公司（Extreme Ultraviolet Limited Liability Company）。极紫外线有限责任公司的成立最初是为了拯救半导体行业。在1997年之前，半导体基础研究仅在少数几个研究实验室进行，而且这些实验室都依赖政府拨款。
最初的极紫外光研究项目是一个“虚拟国家实验室”，它整合了劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室。每个实验室负责不同的部分：利弗莫尔侧重于反射镜和光学元件，桑迪亚侧重于光源和系统工程，伯克利侧重于先进的测试设备。但在1996年，由于美国能源部预算削减，这个虚拟国家实验室项目面临被取消的风险。 可以看到每一个都是大名鼎鼎的学术机构，但是没钱谁都没办法。
当时在微处理器领域无可争议的世界领导者英特尔，非常重视这项成果，并牵头成立了极紫外光刻有限责任公司，这是美国能源部历史上规模最大的公私合营项目。在六年的运营期间，该公司通过向成员公司出售股份筹集了超过2.7亿美元用于极紫外光刻技术的研发，这些股份赋予成员公司优先购买所生产的光刻设备的权利。
该公司最初只允许美国公司加入。ASML及其主要日本竞争对手佳能和尼康最初都被禁止加入。从一开始就加入合作的半导体设备制造商中，只有硅谷集团一家，其市场份额仅为5%，而ASML的市场份额则高达20%。由于担心过度依赖这样一家小型制造商的风险，其他参与公司最终认为，与其冒着失去整个市场的风险，不如向外国公司开放市场，他们向ASML开出的条件是：只要ASML承诺在美国设立研发中心，并且在美国销售的系统55%的零部件必须来自美国供应商，ASML就可以参与此次合作。但实际上，这项承诺从未得到执行。由于美国普遍担忧日本的竞争，尼康和佳能一直被排除在外。
该项目依靠国家级的研发力量积累了庞大的知识产权和工艺知识库。这类公私合作项目通常会授予参与公司非独占许可，允许其使用所产生的知识产权，但在这个案例中，合作公司获得了完全所有权。
2001年，由于资金周转困难，硅谷集团被ASML收购了，后者从此成为该合作联盟中唯一幸存的设备制造商。当该联盟制造出首个全尺寸极紫外光刻原型机——工程测试台时，ASML独占鳌头，引领了光刻技术的发展。这是首次证明13.5纳米波长的光可以在芯片上印刷高密度图案。
当工程测试台建成时，该项目已经证明设备能够可靠地产生极紫外光，因此工程师们可以开始另外研发可用于实际生产设备的反射镜和透镜。为了解决诸如如何提高机器吞吐量或增强生产环境中光源功率等悬而未决的问题，ASML 需要在接近真实环境的条件下测试其设备。然而，在如此早期阶段，没有哪家芯片制造商愿意承担如此庞大且风险极高的项目。
对 ASML 的成功至关重要的第二个项目是位于比利时的大学间微电子中心 (IMEC)，这是一个研究机构，它收集来自不同公司的机器，并允许研究人员在半真实的环境中测试它们，同时保护公司的知识产权。
随着潜在客户开始考虑下一代光刻技术的各种方案，ASML利用IMEC展会推广其极紫外光刻原型机。ASML的首要目标客户是台积电（TSMC），如今台积电已成为全球最大的半导体代工厂。台积电成立于1987年，其发展历程与ASML密不可分：ASML的前母公司飞利浦持有台积电27.5%的股份。正是在IMEC展会上看到ASML的设备后，台积电才决定与ASML在极紫外光刻技术的研发方面展开合作。
相比之下，佳能和尼康对自己的研究讳莫如深，也鲜少与外部公司合作。虽然这在理论上使他们能够更好地掌控自己的工作，并攫取更多的价值链份额，但也使他们不得不独自承担解决一系列复杂基础物理难题的重任，并承担所有相关的财务风险。
ASML的极紫外光刻系统原型。
图源：ASML
由于ASML机器中的几乎所有零部件都由其他公司制造，实际上它掌控着一条由五千多家公司组成的庞大供应链。多年来，ASML有意识地实现了供应商多元化：其80%的支出流向欧洲和中东的公司（值得注意的是，尽管此前已达成协议，但并未流向美国），这降低了潜在的出口限制、关税以及其他地缘政治风险——现在证明美国大量使用技术垄断规则在国际环境中呼风唤雨，ASML的“逃单”行为无意中规避了遭遇长臂管辖的风险。
尽管ASML的大部分零部件来自众多小型供应商，但它与最大的供应商建立了深厚的合作关系。ASML收购了光学制造商蔡司24.9%的股份。激光器制造商通快（Trumpf）副董事长彼得·莱宾格（Peter Leibinger）曾表示，ASML和通快实际上已经是一家“合并的公司”。
赢得战争
极紫外光刻技术直到2018年才成为一项成功的商业技术，这距离极紫外有限责任公司成立已过去20多年，距离IMEC成立也已过去34年。在此期间，这项技术消耗的资源越来越多。到2015年，ASML每年在研发上的投入超过10亿美元，是2010年的两倍多。据估计，到2014年，整个行业在极紫外光刻技术上的总投资已超过200亿美元，而且没有任何回报保证。
ASML之所以能够持续向这个无底洞投入巨资，部分原因是它已经击败了竞争对手。到2010年，它占据了三分之二的光刻机市场份额，并且是快速增长的智能手机市场的主导供应商，与英特尔、三星和台积电等公司建立了深厚的合作关系。它之所以能够巩固这一地位，是因为它赢得了21世纪初那场决定性的技术之争。
千禧年之初，整个半导体行业遇到了物理瓶颈。几十年来，通过简单地改用更短的波长，电路的尺寸一直在稳步缩小，但标准的 193 纳米光（大约是人类头发丝直径的五百分之一）太过粗略，无法绘制更精细的电路。
尼康试图通过开发波长更短（157纳米）的新型光源来解决这个问题。但这种短波长的光会被普通玻璃吸收并扭曲，迫使尼康使用氟化钙来制造镜头。氟化钙是一种稀有且易碎的晶体，抛光成本高昂，且在高温下容易开裂。整个行业在这种“干式”光刻工艺上投入了数亿美元，最终却发现其制造工艺的挑战难以克服。
ASML的合作伙伴关系帮助它避免了陷入困境。台积电研究员林炳哲建议他们改用一种名为浸没式光刻的技术。ASML继续使用193纳米波长的光，但在透镜和硅片之间放置了一层水。就像吸管放入水中会弯曲并放大一样，机器中的水会弯曲光波，使焦点更加清晰，从而无需更换透镜即可印刷更小的电路。
ASML 通过推出名为 TWINSCAN 的革命性机器架构，进一步巩固了这一优势。在旧式机器中，当机器停下来测量硅晶圆表面以确保其平整度时，光源会处于闲置状态。ASML 用双级系统取代了这一步骤：一台配备两个工作台的大型机器会在后台测量一个晶圆的同时，对另一个晶圆进行同步打印。这直接将制造过程中的停顿时间减少了50%，使芯片制造商能够快速提高芯片产量。到 2005 年尼康放弃其 157 纳米项目时，ASML 已成为行业标准，占据了53.2% 的市场份额。不光份额大，由于性能高出一大块，ASML 的机器可以卖出对手几乎两倍的价格：5500 万美元，而同类尼康产品的价格为 3000 万美元。
但这仍然不够。虽然ASML从2006年开始向IMEC交付EUV原型机，但这些机器速度太慢且故障频发，根本无法用于商业用途。2012年，ASML仍在努力应对全球金融危机的影响，难以继续为其EUV研发项目提供资金。为了挽救公司的研发工作，同时也为了彻底赢得 EUV 市场，ASML 领导层采取了一项激进的举措——启动了一项共同投资计划，将公司 23% 的股份出售给了其三大客户：英特尔、台积电和三星。
这笔资金还使ASML得以完成对其供应商之一Cymer的25亿美元收购。Cymer是一家生产光刻光源的公司。此次收购使ASML能够投资Cymer的研发工作，以完善其软X射线光源。该光源的工作原理是：以足够大的功率照射高速运动的锡液滴，使其失去电子，但又要精确控制力度，避免产生过多碎片覆盖反射镜。他们通过将单脉冲激光脉冲改为双脉冲激光脉冲实现了这一目标：预脉冲用于塑造液滴形状，主脉冲用于产生等离子体，提高了效率和稳定性。
ASML与台积电的紧密合作至关重要。2014年，台积电为苹果公司推出了首款芯片，苹果当时是台积电最大的客户，要求其生产性能超越现有设备能力的芯片，这等于间接向ASML施压，因此ASML迫切需要完成商用EUV光刻机的研发。
股份和市场利益的绑定使得两家公司的合作非常紧密，以至于台积电负责EUV光刻技术研发的部门主管Anthony Yen将他们形容为“一个团队”。ASML和台积电的工程师们夜以继日地工作，不断排除故障、反复迭代，最终达到了所需的产能：每天生产500片晶圆。
在此期间，联合团队重新设计了锡液滴发生器以及激光照射每个液滴的方式。新的装置产生的液滴尺寸约为原来的一半，但仍能产生相同的紫外能量。更小的液滴在汽化时产生的碎屑更少，从而减缓了锡在收集镜上的积聚速度。由于收集镜的损耗速度更慢，因此需要更换的次数更少，从而使机器能够更长时间地正常运行。
此次合作对ASML来说是一次双赢，因为它帮助ASML克服了一些关键的工程和商业化挑战。同时也帮助台积电成为最前沿技术的第一批采用者。到2019年，台积电已开始大规模量产其7纳米工艺，并在年底前推出了首批搭载EUV芯片的手机。
ASML 当时最先进的极紫外光刻扫描仪 TWINSCAN EXE:5000
图源：ASML
与此同时，像尼康这样从未对极紫外光刻技术抱有坚定信念的竞争对手，实际上已经放弃了这项技术。尼康在其2013年年度报告中指出，其自身的极紫外光刻技术进展并未按计划进行，此后便再未在年度报告中提及该技术。随着ASML在研发方面遥遥领先，并锁定了关键客户的需求，而竞争对手在金融危机后难以证明其研发投入的合理性，ASML最终成为这项技术商业化竞赛中硕果仅存的一家公司。
隐性知识的重要性
ASML早期的坎坷发展培养了一种比其他公司更能承受风险的企业文化，这种文化鼓励快速提拔高潜力人才，同时善于留住他们，在这方面ASML的口碑很不错，许多优秀人才在该公司服务了几十年。例如，马丁·范登布林克于1984年加入ASML。短短18个月后，年仅29岁的他就成为公司早期旗舰项目研发的两位负责人之一。此后，他一直在ASML工作，直至2024年退休，期间担任总裁兼首席技术官。这种做法在ASML的日本竞争对手中就相对罕见了，日本公司等级森严，更倾向于奖励资历而非能力。
在光刻技术这类需要大量隐性知识才能组装机器的领域，留住最优秀的员工尤为重要。一位ASML工程师曾告诉上海微电子设备有限公司（ASML在中国的主要竞争对手之一）的创始人何荣明，即使拥有ASML的产品蓝图，该公司也无法复制ASML的产品。他认为ASML的产品凝聚了“数十年，甚至上百年”的知识和经验。ASML的中国竞争对手一直在系统性地试图挖走ASML的前工程师，而且至少有一起ASML前员工非法泄露专有信息的案例被记录在案，但所有这些努力似乎都未能缩小差距。
欧洲巨头
ASML是欧洲科技巨头中罕见的典范。它的成功源于跨大西洋合作，而非欧洲大陆的狭隘主义。如果该公司没有加入由美国芯片制造商资助的项目，佳能和尼康很可能仍然主导着技术相对落后的光刻行业。
与其他公司的合作同样至关重要。虽然垂直整合赋予了尼康和佳能完全的控制权，但也限制了它们创新的能力，使其受限于内部资源。在一个拥有超过十万个组件的系统中，这种保守的作风最终导致了致命的失败。ASML 的模块化方法使其能够通过收购 Cymer 和投资蔡司来引进尖端技术，同时通过利益绑定，与英特尔和台积电等主要客户一起投入和试错，这种战略打造了一个强大的协同引擎，其资源投入和发展速度都超过了所有试图独自承担重担以便独享利润的竞争对手。
事实证明开放和共赢是现代科技发展的方向，没有一家公司或者一个国家能保证所有最绝妙的点子都来自于本公司或者本国旗下的研究人员，对于一台零件数量以万为单位的设备来说，潜在的改进之处同样有几万种可能和几万种方式，如何让这些微小的奇思妙想汇合形成企业的核心竞争力，可能已经超过了科学的层面，需要更宏大的背景来保证了。
参考文献：
[1]https://worksinprogress.co/issue/the-worlds-most-complex-machine/
