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来源:天天IC发布时间:2023-06-111749浏览
询问 AI
集微网·爱集微APP，各大主流应用商店均可下载1978年，全球70%的光刻设备来自美国供应商。直到1982年，美国人仍然占有62%的市场份额。七年后的1989年，日本公司占据了70%的市场份额，多亏了日本两家光刻设备巨头佳能和尼康领衔。而曾经领导市场的美国公司，正在迅速衰落。一家美国公司到1986年亏损1亿美元。另一家美国公司在1989年完全退出市场。
日本光刻业的霸主地位震惊了半导体界。美国人绞尽脑汁，试图找出哪里出了问题，但并没有找到。
美国创造市场
故事始于50年代后期的美国。仙童和德州仪器的科学家创造了第一个硅基集成电路并将其商业化。他们能够制造出体积更小、速度更快、能效更高的芯片。
美国政府和军方立即对这个市场产生了兴趣。他们为阿波罗太空任务订购了这些芯片，为民兵-II洲际导弹订购了制导计算机。
美国人追求更好的芯片。巨大的销量和政府资金推动硅谷的先驱们降低成本曲线，以提高产量和性能。于是，美国人率先抢占了硅制造的全球领先地位。
第一批光刻领导者
一开始，每个人都在内部制作自己的设备。随着时间的推移，对更新、更好的芯片的需求迫使集成电路半导体制造商转向外购更好的设备。
这些制造商意识到，外部设备供应商能够投入更多的资源和精力来解决一个非常具体、专业的问题。
光刻机市场以这种方式发展，各种各样的公司，其中大多数是美国公司，进入市场。
1973年，一家名为Perkin-Elmer的公司推出了第一台投影对准器Micralign。他们在为一份空军研究合同所做的预测工作的基础上开发了这台设备。
在发布时，Micralign的缺陷率远少于其竞争对手。制造商也通过这台设备将成品率从10%提高到70%，这使得该设备的价格更高。因此，Perkin-Elmer成为行业领导者。
步进驱动器
但Perkin-Elmer感到了不安。投影对准器很好，但它们有一个弱点。因为他们将要芯片设计投射到整个晶圆上，所以可以投射的细节数量受限。
新一代光刻工具开始出现在市场上，解决了这一弱点。这个工具不是投射到整个晶圆上，而是一步一步地穿过晶圆。因此得名：步进驱动器。
1975年，美国地球物理公司或GCA（前身为地图制作公司）收购了一家名为David Mann的小型精密电机制造商。利用这项技术，GCA能够在1977年向IBM交付第一台商用步进电机。步进驱动器提供的缺陷率和成品率优于Perkin-Elmer投影对准器。然而，它们仍然有两个非常明显的弱点。
第一，它们的吞吐量非常慢，因为跨过晶圆需要很长时间。这意味着制造商需要购买和使用更多的芯片来制造相同数量的芯片。
第二，步进驱动器每台成本50万美元。这比当时最好的Perkin-Elmer投影对准器价格高出逾30倍！
不过GCA的大客户——IBM、ATT、仙童和国家半导体都愿意为更好的性能买单。GCA的收入在1976年达到惊人的6200万美元。但所有其他较小的半导体制造商，包括美国以外的制造商，都受到了打击。
因此，这里发生的情况是，有一个市场领导者，它相当成功，但有明显的缺陷。存在一种性能明显优越的全新技术，但目前它自身存在重大缺陷，而且过于昂贵，无法赢得市场。
日本落后
整个1960年代，日本政府推行半导体技术转让政策。如果一家外国公司想进入当时利润丰厚的日本市场，他们需要先与当地企业建立合资企业。本地企业会尽可能多地从外国人那里吸收知识，希望最终能取代他们。
这使得日本半导体市场能够跟上美国半导体设计和制造实践的步伐。但这种大规模的知识转移也掩盖了一个事实，即日本人并没有发明他们自己的半导体技术。
当然，日本也有一些成功案例。例如，半导体封装设备。到目前为止，美国半导体制造商已经将他们的低级封装工作外包到东南亚。
出于政治原因，日本公司无法外包到东南亚，只能迫使新川和Disco等公司制造性能更好的装配机械，使流程更加自动化。这种设备比其他任何设备都好，很快就赢得了美国人的市场。
但这些成功是罕见的。事实上，美国人仍然制造出最好的计算机、最好的芯片和最好的光刻设备。随着对这些物品的需求增加，美国人和日本人之间的距离只会越来越大。仅德州仪器在半导体研发上的投入就超过了富士通、日立和NEC的投入总和。
日本vs IBM
在GCA和Perkin-Elmer的平版印刷主导地位以及IBM的计算机制造主导地位之间，日本在整个20世纪70年代开始对其计算机行业的落后竞争力感到焦虑。
在执政的自民党内部，日本政界人士听到IBM推出“单片机”的消息，将其视为第二次黑船事件（美国侵日）。这时，日本需要看到他们无可救药地落后，必须赶上西方。
强大的自民党政治家桥本富三郎有一句名言：“日本的计算机制造商太多了，无法对付IBM这个庞然大物，迫切需要重组计算机行业，建立一个更加统一、更加一体化的超大规模集成电路技术开发组织。”
日本自民党向强大的国际贸易和工业部（MITI）施压，要求其重组日本的计算机产业，并与西方紧密联系。
于是，1976年VLSI项目诞生了。VLSI代表超大规模集成。
这不是美国同名的1978年DARPA项目。
VLSI项目
日本VLSI项目的预算总额为2.81亿美元，其中一半资金来自政府，将持续四年。
1980年的结束日期是经过精心选择的。这一年，IBM有望发布他们的“单芯片计算机”（仅供参考，它从未问世）。
该项目的目标是将日本的各种计算机公司聚集在一起，开发下一代半导体器件技术——VLSI。他们都会分享他们学到的东西。
这些公司是富士通、日立、三菱电机、NEC和东芝这类电脑公司，所以像夏普和索尼等消费电子公司被排除在外。MITI只希望最好的研发密集型计算公司参与其中。
这有点像日本计算机行业的复仇者联盟，超级英雄们打了很多仗。
他们是不同集团的不同公司，员工通常相互竞争。
该项目的常务董事内桥正人后来写道：“他们没有试图掩饰他们的敌意；他们讨论时没有掩饰他们的私欲。”
例如，该项目将建立两种类型的实验室。一个核心的“合作实验室”，在这里所有的成员聚在一起进行基础的研究。它也将是该项目的主要办公室，以及一堆“小组”实验室，供不同的公司成员研究应用技术。
小组实验室的选择没有问题。但日本芯片复仇者联盟的五名成员就合作实验室的选址争论了六个月。它最终被放置在神奈川的NEC中心实验室。
快速学习
这是日本财团的运作方式。VLSI项目设立了一个董事会，由五家公司的总裁组成。
比如，在内桥正人的领导下是一个总委员会，由公司董事组成。在此之下，是一个运营和技术委员会。这些委员会由五家公司各自的部门负责人组成。
根据技术委员会的指导，将为从公司借来的大约100名员工设定研究和实现的目标。关键的是，借出的员工不是由公司挑选的，而是由合作实验室的负责人挑选的。
该项目有多种研究目标。它们是光刻技术、晶体技术、设计技术、加工技术、测试技术和器件制造。他们被分配给各个公司进行工作。
劲敌
内桥正人是一名退休的MITI官员，在管理国家合作项目方面有几十年的经验。他知道把科学留给科学家。他的工作是管理：
“我没有干预研究本身。我对这个组织最感兴趣的是人的问题：如何协调来自不同公司的研究人员，并使他们互动。我想让他们成为好朋友，互相交流，敞开心扉。所以，我所做的是典型的日本方式：这四年我所做的就是尽可能多地和他们一起喝酒。我想了解他们在那些场合的抱怨，并试图消除问题。”但如果认为内桥正人是愤怒员工的醉酒治疗师，那就大错特错了。他体谅人们的感受，但推动他们坚持到底，实现项目的使命。当问题出现时，他把解决问题作为自己的工作。
内桥正人实现了他的目标。不同的研究人员最终成为了朋友。1980年3月该项目解散后，他们举行了一个盛大的告别会。昂贵的设备被公平地分配了，人们甚至创办了校友通讯。
结果
整个项目将在所有技术研究目标中产生一千多项新专利。它极大地推进了日本本土的半导体及其制造知识，使他们不仅仅是追随者。
竞争对手一起朝着更大的目标努力。这些专利中有16%是由竞争公司的成员共同发明的，这是一个巨大的进步。
至关重要的是，这些专利中有很多是在单个公司知道自己有问题，但没有资源独自解决的领域获得的。例如，在加工过程中保持硅片平整的工作。
除此之外，VLSI项目还有另一大好处。在六个主要研究目标中，该项目在光刻技术方面走得最远。
在四年结束时，该项目建立了三种使用电子束的光刻技术。这允许1微米或更小的分辨率。
随着研究联盟在光刻方面取得进展，他们开始调试供应商的设备。
光刻是一项多学科的工作。为了让一家公司真正擅长于此，他们需要擅长三个不同的领域：高分辨率光学、先进的电子束或X射线光刻技术和高精度机械。
VLSI项目成员最终决定与几家具有这些特殊经验的日本公司合作，即佳能和尼康。
佳能和尼康
尼康的定位比佳能更理想，它在光学和机械方面都有专长。自1925年以来，他们一直在销售医用显微镜，光学显微镜，并为天文台制造大型望远镜，高精度机械显微镜。
佳能没有尼康在高精度机械方面的经验。但他们确实有创业热情。早在1970年，该公司就开始为IC行业开发校准器——美光项目。
当项目成员来访时，他们的第一个校准器，PLA系列，已经在市场上销售了三年。但是第一款产品——1973年推出的PLA 300由于佳能工程师在高精度机械方面的不足，没有市场竞争力。这给对准器留下了精度问题。
VLSI项目联系了佳能并委托了一种接近式对准器。这使用了一种较旧的光刻技术，在光掩模和衬底之间有一个间隙。这造就了PPLA-500和600系列，它们大受欢迎某些机器被使用了几十年。
佳能也希望有机会研究步进电机。但佳能没有资源同时进行这两个项目。因此，因此，尼康在1977年受委托研制光刻步进机。他们以前从未做过这样的事情，但VLSI项目成员与他们密切合作，共同满足需求。
VLSI如何提供帮助
必须指出的是，佳能和尼康不属于日本VLSI复仇者联盟。这两家公司对不同公司之间的内部讨论并不知情。并且VLSI项目从未告诉他们将为他们构建的任何东西推向世界市场。
首先，VLSI项目是佳能或尼康产品的基础客户。但涉足新行业和新产品线的公司常常面临两难境地：“我们如何获得开发这种产品的资金？谁来为我们糟糕的第一次迭代买单？”
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糟糕的第一次、第二次和第三次迭代买单。
这很像英特尔、TSMC和三星多年来出资数十亿美元资助ASML实现EUV商业化。
第二，VLSI成员清楚地列出了他们的需求，并愿意与供应商密切合作以实现它。这很重要。谁曾经和一个不知道自己需求的客户一起工作过？
尼康首先从GCA购买了一台机器，开始了步进电机的开发。GCA把它运给他们，因为技术出口到日本是允许的。尼康将它拆开，研究每一个部件，然后拼凑出一个以相同方式工作的尼康原型。
自然，第一个原型工作得很糟糕。但是，VLSI 项目成员并没有将整个事情扔进垃圾桶，而是致力于与尼康密切合作，使其变得更好。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
VLSI项目成功启动了日本的本土半导体产业，建造大型晶圆厂来制造最先进的存储芯片。从1980年到1982年，日本的光刻工业增长了66%。相比之下，美国同期仅增长了10%。
日本公司利用他们在优化工业和制造工作流程方面的技能，以64kb DRAM击败美国同行，进入市场领先地位。
光刻也是如此。日本人能够以更优惠的价格让旧技术走得更远。佳能开发了一种能够达到2-3微米设计规则的接近对准器，震惊了业界，因为许多专家认为这是不可能的。
然后在1980年，尼康向市场发布了他们在VLSI项目中的成果：NSR-1010G步进器。第一批客户是NEC和东芝，他们发现它非常适合他们目前的生产线
日本市场的爆发式增长让美国光刻厂商措手不及。1981年是美国经济衰退的一年，美国人不适应市场，依赖日本贸易公司获取市场情报。
GCA试图提高产量，但他们唯一的光学供应商蔡司无法快速地生产镜头。由于交货延迟不断，日本半导体制造商等不及了。
他们选择了尼康，尼康在一年内抢走了20%的市场份额。美国各类半导体生产设备的市场份额大幅下降。美国的光刻工业逐渐萎缩并消亡。
结论
日本的胜利并不完整。因为众所周知，成功不会持续很长时间。这就是为什么日本前期很糟糕。佳能和尼康无法保持其在光刻市场的领先地位。日本半导体市场将在20世纪80年代末和90年代崩溃。
美国人对失去市场领导地位做出了回应，投身于开发革命性半导体生产技术和应用的研究。他们非常喜欢VLSI项目的想法，以至于他们制作了自己的SEMATECH。在那里，他们偶然发现了下一代光刻技术：EUV。
至此，美国的光刻业已不复存在。因此，SEMATECH和政府转向了下一个最佳替代方案：ASML。
文章来源：asianometry 编译：集微网
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2026-07-10
