32 光刻战争

采访约翰·卡拉瑟斯，2021年。本章受益于采访维韦克·巴克希、克里斯·麦克、查克·格温、大卫·阿特伍德、弗里茨·范霍特、约翰·泰勒、约翰·卡拉瑟斯、比尔·西格尔（Bill Siegle）、斯蒂芬·乌尔姆、严涛南、蒋尚义以及其他不愿透露姓名的光刻专家，专家均不对结论负责。 1992年，当约翰·卡拉瑟斯（John Carruthers）在加利福尼亚州圣克拉拉市英特尔总部的一个会议室坐下时，他没想到向英特尔首席执行官安迪·格鲁夫索要2亿美元会很容易。作为英特尔研发工作的领导者，卡拉瑟斯习惯于下大赌注。有些成功了，有些失败了，但英特尔的工程师们和业内其他人一样，大多成功了。到1992年，由于格鲁夫决定将英特尔的精力集中在个人电脑微处理器上，英特尔再次成为世界上最大的芯片制造商。

但卡拉瑟斯的要求远远超出了通常的研发项目。与业内其他人一样，卡拉瑟斯知道现有的光刻方法很快将无法生产下一代半导体所需的更小的晶体管。光刻机公司正在推出使用深紫外光的工具，其波长为248纳米或193纳米，人眼看不见。但不久之后，芯片制造商将要求更高的光刻精度。卡拉瑟斯想瞄准波长为13.5纳米的极紫外光。波长越短，可以制作在芯片上的器件尺寸就越小。只有一个问题：大多数人认为极紫外光不可能大规模产生。

格鲁夫怀疑地问道：“你是想告诉我，你打算把钱花在一些我们甚至不知道是否会奏效的事情上？”卡拉瑟斯反驳道：“是的，安迪，这叫研究。”格鲁夫求助于英特尔前首席执行官戈登·摩尔，摩尔仍然是该公司的顾问。格鲁夫问道：“你会怎么做，戈登？”摩尔反问道：“嗯，安迪，你还有其他选择吗？”答案很明显：没有。芯片行业要么学会使用越来越短的波长进行光刻，要么摩尔定律对应的晶体管缩小将停止。这样的结果将给英特尔的业务带来毁灭性的打击，也会给格鲁夫带来耻辱。格鲁夫给了卡拉瑟斯2亿美元，用于开发EUV光刻技术。英特尔最终花费了数十亿美元进行研发，还花费了数十亿美元学习如何使用EUV光刻芯片。英特尔从未计划制造自己的EUV设备，但需要保证至少有一家世界先进的光刻机公司将EUV设备推向市场，这样英特尔就可以拥有光刻更小器件所需的工具。

自从杰伊·莱思罗普在美国军事实验室把显微镜倒置以来，光刻技术的未来比任何时候都更加令人怀疑。光刻行业存在三个问题：工程、商业和地缘政治。在芯片制造的早期，晶体管尺寸很大，光刻机使用的光波无关紧要。但是，摩尔定律已经发展到光波波长的尺度（几百纳米，取决于光颜色），光波会严重影响光刻的质量。到了20世纪90年代，最先进的晶体管以数百纳米为单位进行度量，但人们已经有可能设想出长度只有十几纳米的更小的晶体管。

马克·L.斯查腾贝格（Mark L. Schattenburg），《三束会议的历史，信息的诞生和石版印刷战的时代》（History of the “Three Beams” Conference，the Birth of the Information and the Era of Lithography Wars），https://eipbn.org/2020/wp-content/uploads/2015/01/EIPBN_history.pdf。大多数研究人员认为，生产这种晶体管尺寸的芯片，需要更先进的光刻机。一些研究人员试图使用电子束来光刻，但电子束光刻技术的速度始终不够快，无法大规模生产。其他人把赌注押在X射线或极紫外光上，每一种都会与不同的光刻胶化学物质发生反应。在一年一度的国际光刻专家会议上，科学家们讨论了哪种技术会获胜。一位与会者说，现在是一个在相互竞争的工程师群体之间的“光刻战争”时代。

寻找新的最好光源的“战争”，只是光刻未来三场竞赛中的一场。第二场竞赛是商业性的，是关于哪家公司将制造下一代光刻机。开发新光刻设备的巨大成本推动了行业的集中，一家或两家公司将主宰市场。在美国，GCA已经被清算，而硅谷集团（Silicon Valley Group）——一家从珀金埃尔默衍生出来的光刻机公司，远远落后于市场领导者佳能和尼康。20世纪80年代，美国芯片制造商抵挡住了日本的挑战，但美国光刻机制造商没有。

佳能和尼康唯一真正的竞争对手是阿斯麦，这是一家规模虽小但正在成长的荷兰光刻机公司。1984年，荷兰电子公司飞利浦剥离内部光刻部门，创建了阿斯麦。在芯片价格暴跌导致GCA业务下滑的同时，分拆的时机也非常糟糕。更重要的是，在距离荷兰与比利时边境不远的维尔德霍芬镇，似乎不太可能诞生半导体行业的世界级公司。欧洲是一个相当大的芯片生产地，但明显落后于硅谷和日本。

彼得·范登赫克（Peter Van Den Hurk），《告别一个由顶级人士组成的大家庭》（Farewell to a “Big Family of Top Class People”），阿斯麦，2021年4月23日，https://www.asml.com/en/news/stories/2021/frits-van-hout-retires-from-asml。采访弗里茨·范霍特，2021年。勒内·莱基马克斯（Rene Raiijmakers），《技术所有权不是与生俱来的权利》（Technology Ownership Is No Birthright），Bits & Chips，2021年6月24日。 1984年，当荷兰工程师弗里茨·范霍特（Frits van Hout）在获得物理硕士学位并加入阿斯麦时，公司员工问他是自愿还是被迫接受这份工作。范霍特回忆道，阿斯麦除了与飞利浦的关系，“我们既没有制造设施，也没有钱”。为光刻机建造庞大的内部制造设施是不可能的，取而代之，该公司决定从世界各地精心采购零部件组装系统。依赖其他公司的关键组件会带来明显的风险，但阿斯麦学会了防范这些风险。尽管日本试图制造所有部件，但阿斯麦可以购买市场上最好的部件。随着阿斯麦开始专注于开发EUV工具，从不同来源集成组件的能力成为其最大的优势。

出乎意料的，阿斯麦的第二个优势是它在荷兰的位置。20世纪80年代和90年代，阿斯麦在日本和美国之间的贸易争端中被视为中立。美国公司将阿斯麦视为尼康和佳能值得信赖的替代者。例如，当美国DRAM初创公司美光想要购买光刻机时，它转向了阿斯麦，而不是依赖两个主要的日本供应商，这两个供应商都与美光在日本的DRAM竞争对手有着千丝万缕的联系。

采访弗里茨·范霍特，2021年。《光刻战争（中）：台积电的大火是如何拯救光刻巨头阿斯麦的？》（Lithography Wars（Middle）：How Did TSMC's Fire Save the Lithography Giant ASML?），iNews，2022年2月5日，https://inf.news/en/news/5620365e89323be681610733c6a32d22.html。阿斯麦从飞利浦分拆出来的历史也以惊人的方式促进了与台积电的深厚关系。飞利浦一直是台积电的基石投资者，曾将其制造工艺技术和知识产权转让给初创的台积电。这给了阿斯麦一个内置市场，因为台积电的晶圆厂是围绕飞利浦的制造工艺设计的。1989年，台积电晶圆厂的一场意外火灾也在一定程度上起了推动作用，台积电因此购买了另外19台新的光刻机，这些费用由火灾保险支付。阿斯麦和台积电最初都是芯片行业边缘的小公司，但它们共同成长，形成了一种伙伴关系。如果没有这种伙伴关系，那么如今的计算技术进步将停滞不前。

查尔斯·克劳塞默（Charles Krauthammer），《单极时代》（The Unipolar Moment），《外交事务》，1990年9月18日。阿斯麦和台积电的合作关系指向了20世纪90年代的第三场“光刻战争”。这是一场政治竞赛，尽管很少有行业或政府的人愿意用这类术语来思考。当时，美国正在庆祝冷战结束，并兑现其和平红利。如果以技术、军事或经济实力来衡量，那么美国领先于世界其他国家，无论是其盟友还是对手。一位颇具影响力的评论员宣称，20世纪90年代是一个“单极时代”，美国的主导地位是毋庸置疑的。海湾战争证明了美国可怕的技术和军事实力。

大前研一（Kenichi Ohmae），《管理无国界的世界》（Managing in a Borderless World），《哈佛商业评论》（Harvard Business Review），1989年5-6月。根据彭博社的数据。 1992年，当安迪·格鲁夫准备批准英特尔在EUV光刻技术研究方面的第一笔重大投资时，人们很容易理解为什么即使是从冷战军事工业综合体中崛起的芯片行业，也得出了政治不再重要的结论。这位管理大师承诺，在未来的“无国界世界”，全球商业格局将由利润而非权力来塑造。经济学家在谈论加速全球化，首席执行官和政治家们都接受了这些新的时尚观点。与此同时，英特尔再次占据了半导体业务的顶端。英特尔曾抵挡住了其日本竞争对手，当时几乎垄断了个人电脑芯片的全球市场。自1986年以来，英特尔每年都赢利。为什么它还要担心政治？

采访约翰·泰勒，2021年。 1996年，英特尔与美国能源部运营的几个实验室建立了合作伙伴关系，这些实验室在光学和其他领域拥有使EUV工作所需的专业知识。一位行业内人士回忆道，英特尔召集了六家芯片制造商加入该联盟，但英特尔支付了95%的费用。英特尔知道劳伦斯·利弗莫尔（Lawrence Livermore）和桑迪亚（Sandia）国家实验室的研究人员拥有制造EUV原型系统的专业知识，但其重点是科学，而不是大规模生产。

查克·格温和斯蒂凡·乌尔姆（Stefan Wurm），《EUV LLC：历史视角》（EUV LLC: A Historical Perspective），载于巴克希（Bakshi）编辑的《EUV光刻》（EUV Lithography），国际光学工程学会，2008年。采访约翰·卡拉瑟斯和约翰·泰勒，2021年。卡拉瑟斯解释道，英特尔的目标是“制造东西，而不仅仅是测量”，因此该公司开始寻找一家能够商业化和大规模生产EUV工具的公司。结果，没有一家美国公司能做到这一点。GCA不再存在。美国最大的光刻机公司是硅谷集团，但该公司在技术上落后。美国政府对20世纪80年代的贸易摩擦仍然很敏感，不希望日本的尼康和佳能与美国国家实验室合作，尽管尼康认为EUV技术不会奏效。对于美国来说，阿斯麦是仅存可选的光刻机公司。

采访肯尼斯·弗拉姆和理查德·范·阿塔，2021年。大卫·拉默斯，《美国在EUV上同意阿斯麦》（U. S. Gives Ok to ASML on EUV），《电子工程专辑》英文版，1999年2月24日。该媒体报道援引了阿斯麦与美国政府达成的一项协议，根据该协议，阿斯麦承诺在美国生产其部分机器。我无法从美国官员或阿斯麦那验证这种承诺的存在，尽管多名美国前官员表示，该协议听起来似乎合理，但它可能是非正式的。现在，阿斯麦在康涅狄格州的一家制造厂生产EUV工具的一部分，因此，如果事实上阿斯麦做出过这样的承诺，那么阿斯麦看起来是在遵守协议。在我的采访对象中，没有人认为外交政策考虑对这一决定至关重要。许多人表示，他们不记得对这个话题的任何讨论。让外国公司获得美国国家实验室最先进研究成果的想法，在华盛顿引发了一些问题。EUV光刻技术并没有立即应用于军事领域，当时还不清楚EUV能否发挥作用。但如果真的这样做了，那么美国将依赖阿斯麦作为所有计算的基础工具。但除了美国国防部的一些官员外，华盛顿几乎没有人担心。大多数人认为，阿斯麦和荷兰政府是可靠的合作伙伴。对政治领导人来说，更重要的是对就业的影响，而不是地缘政治。美国政府要求阿斯麦在美国建立一个工厂，为其光刻机制造组件，并向美国客户提供产品和雇用美国员工，但阿斯麦的大部分核心研发在荷兰进行。美国商务部、国家实验室和相关公司的关键决策者表示，政府在做此决定的时候没有考虑太多的政治因素。

唐·克拉克（Don Clark）和格伦·辛普森（Glenn Simpson），《硅谷集团的出售让荷兰的反对者担心外国竞争》（Opponents of SVG Sale to Dutch Worry About Foreign Competition），《华尔街日报》，2001年4月26日。采访光刻行业专家，2021年。采访理查德·范·阿塔，2021年。采访美国商务部前官员，2021年。尽管长期拖延和巨额成本超支，但是EUV伙伴关系仍缓慢取得进展。尼康和佳能被排除在美国国家实验室的研究之外，决定不制造自己的EUV工具，使阿斯麦成为世界上唯一的生产商。与此同时，2001年，阿斯麦收购了美国最后一家大型光刻机公司硅谷集团。当时，硅谷集团已经远远落后于行业领先者，但人们再次质疑该交易是否符合美国的安全利益。在DARPA和美国国防部（数十年来一直在资助光刻行业）内部，一些官员反对这次交易。美国国会也提出了担忧，三位参议员写信给乔治·W.布什总统，称“阿斯麦最终将拥有美国政府的所有EUV光刻技术”。

这是不可否认的事实，但美国的实力正处于巅峰，华盛顿的大多数人认为全球化是一件好事。美国政府的主要信念是，通过鼓励俄罗斯或中国等大国专注于获取财富而非地缘政治力量来扩大贸易和供应链联系将促进“和平”。声称美国光刻业的衰落将危及安全的说法被认为与全球化和互联互通的新时代格格不入。与此同时，芯片行业只是想尽可能高效地制造半导体，在没有大型光刻机公司的情况下，除了押注于阿斯麦，美国还有什么选择？

唐·克拉克和格伦·辛普森，《硅谷集团出售给荷兰的反对者担心外国竞争》（Opponents of SVG Sale to Dutch Worry About Foreign Competition）。英特尔和其他大型芯片制造商认为，将硅谷集团出售给阿斯麦对于开发EUV光刻机至关重要，因此对计算的未来至关重要。2001年，英特尔新任首席执行官克雷格·巴雷特表示：“如果二者不合并，美国开发新工具的过程将被推迟。”冷战结束后，刚刚上台的布什政府希望放松对所有商品的技术出口管制，直接用于军事用途的商品除外，政府将该战略描述为“围绕最高敏感度的技术建造高墙”，但EUV光刻技术没有被列入其中。

采访约翰·泰勒，2021年。因此，下一代EUV光刻机将主要在国外组装，尽管一些部件仍在康涅狄格州的一个工厂中制造。凡是提出美国如何保证获得EUV工具的问题的人，都被指责在全球化世界中保持冷战思维。那些谈论技术在全球传播的商业大师却在曲解现状。产生EUV光刻技术的科学网络遍布全球，汇集了来自美国、日本、斯洛文尼亚和希腊等不同国家的科学家。但EUV光刻机的制造不是全球化的，而是垄断的，由单一公司管理的单一供应链将控制光刻技术的未来。