来源：本文由半导体产业纵横（ID:ICVIEWS）编译自asianometry

七年后的 1989 年，日本公司占据了 70% 的市场份额——由两家光刻巨头佳能和尼康领衔。美国曾经的市场领导者，正在迅速衰落。一个到 1986 年亏损 1 亿美元。另一个到 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。回到家的美国人，试图找出哪里出了问题。一如既往，答案并非期望的那样。

本文中我们将看看日本著名的跨行业努力，以及日本如何发展本土半导体产业并同时征服全球光刻市场。

我们的故事始于 50 年代后期的美国。Fairchild 和 Texas Instruments 的科学家创造了第一个硅基集成电路并将其商业化。他们能够批量生产比以往任何产品都更小、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。

美国人对更好的芯片的需求是无法满足的。巨大的销量和政府资金推动硅谷的先驱们降低成本曲线、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。

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半导体制造商转向外购更好的设备。

那些制造商意识到外部设备供应商能够带来更多的资源和努力来解决一个非常具体、非常专业的问题。光刻曝光市场以这种方式发展，各种公司进入市场，其中大多数是美国公司。

1973 年，一家名为 Perkin-Elmer 的公司推出了第一台投影对准器 Micralign。他们根据为空军研究合同所做的预测工作开发了这个。

有了它，制造商将成品率从 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。

投影对准器很棒，但它们有一个弱点。因为他们将芯片设计投射到整个晶圆上，所以他们可以投射的细节数量有限。

新一代的光刻工具开始出现在市场上，以解决这个弱点。该工具不是在整个晶圆上投射，而是一步一步地移动。因此得名：Steppers。

1975 年，美国地球物理公司和 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。使用这项技术，GCA 能够在 1977 年向 IBM 运送第一台商用步进电机。

Steppers 提供的缺陷率和成品率优于 Perkin-Elmer 投影对准器。然而，他们仍然有两个非常明显的弱点。

第一，他们的吞吐量真的很慢，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，步进器每台成本 500,000 美元，也就是百万美元的一半。这比当时最好的 Perkin-Elmer 投影对准器的价格高出 30 多倍。

GCA 的大客户——IBM、ATT、Fairchild 和 National Semiconductor——愿意为更好的性能买单。GCA 的收入在 1976 年达到 6200 万美元，这是一个了不起的成就。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。

所以，到目前的情况就是，有一个市场主导者非常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，而且成本太高，无法赢得市场。

对于需要价格和性能完美结合的人来说，这就是一个市场机会。但是谁能够满足这种需求呢？

现在就到日本出场了。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，并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，即日本人自己并没有发明自己的半导体技术。

当然，日本也有一些成功案例，例如，半导体组装设备。到目前为止，美国半导体制造商已经将他们的低级组装工作外包到东南亚。

出于政治原因，日本公司无法效仿，迫使 Shinkawa 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 的总和。

在 GCA 和 Perkin-Elmer 的光刻主导地位以及 IBM 的计算机制造主导地位之间，日本在整个 1970 年代开始对其计算机行业的落后竞争力感到焦虑。

在执政的日本政府内部，日本政界人士听到 IBM 推出“单片机”的消息，日本再次看到他们追赶西方的机会。

一位日本的政治家桥本富三郎有一句名言：“我们日本有太多的计算机制造商来应对IBM ……迫切需要重组计算机行业，建立一个更统一、更集成的 VLSI 技术开发组织需要。”

日本政界向通商产业省施压，要求其重组日本的计算机行业并与西方紧密联系。因此，1976 年 VLSI 项目诞生了，VLSI 代表超大规模集成（不要与美国 1978 年同名的 DARPA 项目混淆）。

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——并将持续四年。

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“单片机”（从未面世，仅供参考）。该项目的目标是汇集日本的各种计算机玩家，共同开发下一代半导体器件技术——VLSI，在这之中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。这个团队只有电脑公司，所以像夏普和索尼这样的消费电子公司被排除在外。日本通商产业省只希望最好的研发密集型计算公司参与其中。

这么看有点像日本计算机行业的“复仇者联盟”。他们是不同集团的不同公司，员工通常相互竞争。该项目的总经理根桥正人后来写道，“他们没有试图掩饰他们的敌意；他们讨论时不掩饰他们的私欲。”

例如，该项目将建立两种类型的实验室。一种是核心的“合作实验室”，也就是所有成员聚集在一起进行基础研究，这种实验室属于该项目的主要办公室。另一种是“小组”实验室，用来供各个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县的 NEC 中央实验室。

VLSI 项目设立了一个董事会，由五家公司的总裁组成。下面是一位常务董事——前面提到的根桥。在他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，将从公司借调的100名左右的员工进行研究和实现。关键的是，借调的员工不是由公司选择的，而是由合作实验室的负责人选择的。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。

Nebashi 是一名退休的日本通商产业省官员，在管理国家合作项目方面拥有数十年的经验，他的工作是管理人，他知道把科学留给科学家。

Nebashi分享到：“我没有干预研究本身。我对该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。”

但如果认为根桥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。

Nebashi 实现了他的目标：不同的研究人员最终成为了朋友。1980 年 3 月项目解散后，他们举行了盛大的欢送会。昂贵的设备被公平地分配了，人们甚至开始了校友通讯。

整个项目将在所有技术研究目标中产生一千多项新专利。它极大地提升了日本对半导体及其制造的本土知识，使他们不仅仅是快速追随者。

竞争对手共同努力实现更大的目标，这些专利中有 16% 是由竞争公司的成员作为联合发明提交的，这是一个巨大的进步。

至关重要的是，这些专利中的很多都出现在单个公司，知道他们有问题但没有资源自己解决所有问题的领域。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。在六大研究目标中，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，达到了 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。他们的名字是佳能和尼康。

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进行光学检查，并为天文台制造大型望远镜进行高精度机械检查。

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 行业开发对准器（美光项目）。

当项目成员来访时，他们的第一款矫正器 PLA 系列已经上市三年了。但第一款产品——1973 年推出的 PLA 300没有市场竞争力，因为佳能工程师在高精度机械方面存在缺陷。它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称为接近式对准器的对准器。这使用了一种较旧的光刻技术，该技术在光掩模和基板之间有间隙。PLA-500 和 600 系列的劳动成果大受欢迎，某些机器此后使用了几十年。

佳能也希望有机会在步进电机上工作。如果您还记得前文提到过，步进器是 GCA 的下一代设备，价格昂贵。但佳能没有资源同时进行这两个项目。因此，尼康于 1977 年受委托开发光刻步进机。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。

必须指出的是，佳能和尼康不属于日本超大规模集成电路“复仇者联盟”。两家公司并不知道各个企业之间的内部讨论。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。

该项目为他们所做的是双重的。首先，他们是佳能或尼康产品的基础客户。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、台积电和三星多年来捐助数十亿美元资助 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。这很重要。谁曾与不知道客户在寻找什么的客户合作过？

尼康首先从 GCA 购买了一台机器，开始了步进电机的开发。GCA 将其运送给他们是因为允许向日本出口技术。尼康将它拆开，研究每一件，然后拼凑出一个以相同方式工作的尼康原型。

自然地，第一个原型非常有效。但是，VLSI 项目成员并没有将整个事情扔弃之脑后，而是致力于与公司密切合作，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。

VLSI 项目成功启动了日本的本土半导体产业——建造大型工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，迅速跻身市场领先地位——在 64kb DRAM 方面击败了美国同行。但日本的工业通过效仿西方的做法而获胜，而且要好得多。

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。佳能开发出能够达到 2-3 微米设计规则的接近式对准器，震惊了整个行业，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信息。

GCA 试图提高他们的产量，但他们唯一的光学供应商 Carl Zeiss 无法足够快地生产镜头。由于交货延迟不断，日本半导体制造商等不及了。尼康在一年内抢走了 20% 的市场份额。美国每类半导体生产设备的市场份额都崩溃了，美国的光刻工业萎缩并消亡。

笔者认为看到此篇文章的人在非常仔细地审视这段历史，以寻找对现在和未来的洞察力。也许，关于东亚某处正在进行的另一种光刻情况。但笔者认为不需要这样做，现在企业不一样、市场情况不尽相同，最重要的是，技术远非相同。

日本的胜利并不完整。因为众所周知，它不会持续很长时间。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 80 年代末和 90 年代崩溃。

美国人对他们失去市场领导地位备受打击，投入研究开发革命性的半导体生产技术和应用。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：欧洲一家名为 ASML 的小型后起之秀。

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