光刻巨人-讀書筆記
在《光刻巨人：ASML崛起之路》中，作者瑞尼·雷吉梅克帶我們重返了晶圓步進光刻機的誕生地，和我們一起探索了ASML在全球獲得令人矚目的成功之根源所在。作者通過回顧工程師們全力以赴超越對手的歷史，生動地給我們打開了一扇窗戶，使我們有機會看到孵化世界上很精密芯片製造技術背後那個獨一無二的企業文化：「贏者通吃」和「只爭金牌」，這些思想至今仍滲透在ASML的血液中。
高端光刻機為什麼那麼難造？
什麼是光刻機？有人這樣形容光刻機：「這是一種集合了數學、光學、流體力學、高分子物理與化學、表面物理與化學、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別領域頂尖技術的產物。」我們可以把光刻機看作一台高精度的底片曝光洗印機，它負責把「底片」，也就是設計好的芯片電路圖曝光到「相片紙」上。這個「底片」有一個專業名稱，叫做「掩膜」。而這裡的「相片紙」，就是製造芯片的基底材料硅晶圓；曝光完成後得到的最終「照片」，就是芯片。
光刻機的基本結構最關鍵的部件只有三個：光源發射器、用來調整光路和聚焦的光學鏡頭，以及放置硅晶圓的曝光台。正是因為光刻機的工作原理和基本結構並不複雜，所以，在芯片行業發展的早期，並沒有專門的光刻機生產商。芯片公司只需要到照相器材商店購買普通的相片洗印設備，然後自己加工改造一下就可以了。那麼，光刻機是從什麼時候變得複雜起來的呢？
光源
這就要說到芯片行業著名的「摩爾定律」。摩爾定律是指，每隔兩年，同樣大小的一塊芯片上，晶體管數量會增加一倍。換句話說，芯片的性能也增加一倍。但摩爾定律並不是客觀的自然規律，而是芯片行業在激烈競爭中形成的經驗規律：一旦芯片公司的研發速度落後於這個節奏，就將被無情淘汰。摩爾定律自從1965年提出後，統治了芯片行業長達半個世紀。半個世紀以來，芯片上的晶體管數量一直在呈指數級增長。如果還把芯片比喻為「照片」的話，那麼，這個照片的像素是呈指數級增長的。相應地，用來曝光洗印「照片」的光刻機的精度，也必須越來越高，否則，你設計的「照片」再精美，印不出來也沒有用。
比如，華為的麒麟7納米芯片，生產這樣的芯片，要用到的最先進的極紫外光刻機。它的精度要達到什麼樣的程度呢？首先，如果把光想象成一把刻刀的話，那麼光波越短，這把刻刀就越鋒利。我們知道，1納米等於百萬分之一毫米，7納米芯片意味着，它的每個元器件之間，只允許有幾納米的間隔距離，相當於一根頭髮絲粗細的萬分之一。要曝光這樣的芯片，必須採用一種特殊的光源，也就是極紫外光，它的波長只有13.5納米，是可見光波長的幾十分之一。但是，極紫外光源很難製造。有大概20年的時間，光刻機所使用的光都是波長為193納米的深紫外光，一直無法突破。直到2015年，阿斯麥才研製出了第一台極紫外光刻機。到今天，也只有阿斯麥一家公司能夠生產極紫外光刻機。這就是光刻機的第一個技術難點，光源。
光學鏡頭
光刻機的第二個技術難點，是用來調整光路和聚焦的光學鏡頭。高度精密的光學鏡頭是光刻機的核心部件之一，所以，排在阿斯麥之後的另外兩家光刻機生產商，尼康和佳能，都是生產光學鏡頭的佼佼者。阿斯麥自己不生產鏡頭，它的鏡頭來自德國的光學大師卡爾蔡司。這種鏡頭有多精密呢？如果把鏡頭放大到一個地球那麼大，它上面只允許有一根頭髮絲那樣的凸起。所以有人說，這可能是宇宙中最光滑的人造物體。
對準
芯片不是一次曝光就可以完成的，而是必須更換不同的掩膜，進行多次曝光。芯片的每個元器件之間只允許有幾納米的間隔。這就意味着，掩膜和硅晶圓每次對準的誤差，也必須控制在納米級別。曝光完一個區域之後，放置硅晶圓的曝光台必須快速移動，接着曝光下一個區域。要在快速移動中實現納米級的對準，這個難度就相當於，你要從眨眼之間，端着一盤菜從北京天安門衝到上海外灘，恰好踩到預定的腳印上，菜還保持端平不能灑。
當然，這還有一系列外圍的技術難題，比如，室外空氣乾淨1萬倍的超潔淨廠房，防止機器抖動的磁懸浮裝置，以及配套的計算光刻軟件等等。現在我們明白，為什麼光刻機被稱為「半導體工業皇冠上的明珠」。製造一台極紫外光刻機，就是在挑戰人類工業文明的極限。
阿斯麥公司是如何崛起的
在阿斯麥公司成立的1984年，光刻機市場已經是群雄並起，有十來家生產商，市場份額較大的有美國的著名儀器製造商珀金埃爾默公司和GCA公司，以及日本的尼康和佳能。阿斯麥公司在成立後的兩年內，市場份額為零，因為他們還沒有生產出任何一款產品推向市場。阿斯麥的首屆CEO賈特·斯密特聲稱，四年之內，阿斯麥定會殺入光刻機市場的前三強。
一家名不見經傳的小公司，在巨頭林立的光刻機市場，哪來這樣的底氣呢？這是因為阿斯麥是系出名門，它的技術和創業團隊來自大名鼎鼎的飛利浦公司。早在1960年代，飛利浦的物理實驗室就開始研發光刻機，而且，有好幾項技術都比市面上的光刻機要先進。但是，飛利浦作為一家巨無霸公司，同時研發的新產品可以說不計其數，那個年代的光刻機也不算一種特別高科技的產品，飛利浦高層完全沒有意識到這個機器的重要性。
比如，飛利浦的物理實驗室每年都會舉辦一個研究成果展，有一年，光刻機團隊獲得了一個機會，在大會上展出他們的光刻機原型。這台機器成功吸引了大家的注意，一名公司董事也過來參觀學習。光刻機團隊正在眉飛色舞地給董事介紹機器性能，結果董事突然走開了，原來他被隔壁展台的新型洗衣機吸引過去了。在董事看來，與光刻機這種專業小眾設備相比，能夠批量出貨上萬台的新型洗衣機當然更具賺錢能力。而偏偏光刻機又是一個需要持續投入、大量燒錢的項目，每年至少需要投入1000萬美元進行研發，簡直就是個無底洞。到1980年代初，飛利浦實在受不了了，決定把這個包袱甩出去，能賣掉就賣掉，賣不掉的話找人來合資。 飛利浦先後洽談了三家美國公司，都吃了閉門羹，美國人並不覺得飛利浦的技術有多牛。只有荷蘭本地的一家叫ASM的小公司積極回應。眼看着實在沒人接盤，飛利浦最終同意，與ASM合資成立光刻機公司，雙方各占一半股份。阿斯麥的名字就來自於ASM公司。1984年4月1日愚人節這天，投資資金到賬，首任CEO賈特·斯密特走馬上任。
但斯密特很快就後悔了，他發現自己掉進了一個大坑裡。首先，這家公司窮得要命。飛利浦和ASM各自注資210萬美元，其中飛利浦的注資還是拿過時的樣機和庫存材料來折價的。阿斯麥公司現金不足300萬美元，這和每年至少1000萬美元的研發預算相比，簡直都不夠塞牙縫的。公司甚至都沒有一個像樣的辦公地點，飛利浦在自己的豪華辦公大樓前面，搭了一排簡易活動板房供他們辦公。第二，比沒錢更要命的是，公司員工的士氣非常低落。阿斯麥最初的47名員工，都來自飛利浦的光刻機團隊，他們認為自己是被飛利浦一腳踢了出來，掃地出門。每個人都灰心喪氣、不停地抱怨，這樣一幫人，你怎麼指揮他們打仗？第三，從技術上看，阿斯麥確實從飛利浦那兒獲得了一些領先的技術，比如高精度的對準技術，但是，從實驗室技術到商業量產，還有很長的一段路要走。很有可能，產品還沒推向市場，錢就燒光了。那斯密特該怎麼辦呢？
重振員工士氣
在公司成立後的第一次員工大會上，斯密特信心滿滿地宣布，四年之內，阿斯麥可以從一家市場份額為零的公司，躋身光刻機市場的前三名。那怎麼讓員工相信呢？斯密特對競爭形勢做了認真分析。當時市面上包括阿斯麥在內，有10家光刻機生產商，但其中有5家根本沒有什麼核心技術，真正值得認真對待的對手也就四家，美國的珀金埃爾默和GCA，以及日本的尼康和佳能。
斯密特告訴員工，雖然這四家公司的產品都很成熟，但是它們都沒有充分重視摩爾定律的威力。兩年之後，主流芯片將升級換代，從大規模集成電路變成超大規模集成電路，硅晶圓尺寸要從4英寸變成6英寸。這意味着，現有的光刻機會被淘汰，市場將會重新洗牌。四巨頭中還沒有一家研製出了新一代光刻機，阿斯麥是和它們站在同一條起跑線上，誰率先研發出新一代光刻機，誰就贏了。更何況，阿斯麥擁有一張技術王牌——高精度的對準系統。這是開發下一代光刻機的關鍵技術，其他四巨頭都還沒有，這等於是阿斯麥搶跑了，贏面很大。
錢
斯密特完成第二項艱巨任務就是找錢。斯密特估計，要想在光刻機市場站穩腳跟，需要籌集1億美元的研發費用。但是，飛利浦把光刻機項目剝離出來，就是不想再往裡面投錢，ASM的實力又不夠，斯密特費了半天勁才讓兩家股東各增資了150萬美元，簡直是杯水車薪。事實上，阿斯麥從成立到上市的十多年間，一直處於現金流極度緊張的狀況，斯密特和後來幾任CEO的首要任務，都是找錢。當時，歐共體和荷蘭政府的經濟事務部，都對本地高科技企業有補貼和貸款支持，阿斯麥的人天天去遊說政府給他們撥款，有段時間簡直就要在政府大樓門前安營紮寨了。阿斯麥好幾次資金斷流，都是靠荷蘭政府緊急輸血來續的命。
飛利浦不想給錢，那就做擔保吧，靠着飛利浦的擔保，阿斯麥從銀行貸到了2500萬美元。阿斯麥又設法找到資產租賃公司，以在建的機器設備為抵押，貸了一筆款。總之，通過各種東挪西湊，研發費用勉強到位。當然，後來飛利浦終於發現了光刻機的重要性，也對阿斯麥下了血本，前後投資超過1億美元。
量產
斯密特清醒地認識到，關鍵的瓶頸其實不在阿斯麥本身，而在於生產光學鏡頭的供應商。日本的尼康和佳能自己就是頂級的光學鏡頭廠商，阿斯麥想要和它們競爭，必須綁定一個高水平的供應商。斯密特認定，唯一的選擇是德國的頂級鏡頭廠商卡爾蔡司。
斯密特派人去蔡司談合作，看看能不能為他們獨家定製鏡頭，誰知道，蔡司那邊的負責人一口拒絕，拿出幾個庫存鏡頭告訴他們，愛買不買。原來，除了阿斯麥，美國的幾家光刻機公司也在尋求和蔡司合作。更麻煩的是，就算蔡司願意合作，它的產量也跟不上。蔡司的精密鏡頭是手動拋光完成的，需要依賴具有多年經驗的頂級工匠，這樣的工匠被稱為「金手指」。6名「金手指」一年只能磨製出10套滿足新一代光刻機要求的鏡頭，蔡司就算跑遍全球也找不到足夠的「金手指」。
在後來很長一段時間裡，蔡司和阿斯麥的合作都是半心半意，鏡頭成了阿斯麥「卡脖子」的環節。一直到1990年代初，蔡司陷入財務危機，而阿斯麥的母公司飛利浦慷慨相助，前後借給蔡司將近4000萬美元，幫助它擺脫困境，兩家公司這才越走越近。後來，蔡司又在飛利浦的幫助下，開發出了閉環拋光機器人生產線，也就是用機器人來打磨拋光鏡片，這就擺脫了對「金手指」的依賴，為光刻機的量產鋪平了道路。就這樣，初創的阿斯麥攻克了一道道難關，終於在1991年交付了一台劃時代的產品，型號為PAS 5500。這款機器一上市就迅速占領市場，阿斯麥終於扭轉多年虧損的局面，實現了持續盈利。
同時，一場意外的行業蕭條，直接讓阿斯麥的兩位美國對手出局了。就在阿斯麥剛成立的三年中，全球的芯片行業經歷了一次衰退，需求暴跌。日本公司通過財團之間的抱團取暖，躲過一劫。阿斯麥在那幾年還在潛心搞研發，反正沒有產品賣，也不受市場蕭條的影響。但是美國公司就倒霉了。
比如，GCA公司。在前些年的市場繁榮期，GCA大干快上，同時上馬了50多個研發項目，結果蕭條期一來，資金鍊馬上斷掉，公司一蹶不振。美國公司一倒，蔡司的光刻鏡頭就只能賣給阿斯麥，正好緩解了鏡頭產能不足的壓力。到1996年阿斯麥上市的時候，光刻機市場只剩三個玩家：尼康、佳能，阿斯麥排第三。
