前言
在20世纪70年代初，荷兰飞利浦研发实验室的工程师们制造了一台机器：一台试图像印钞票一样合法赚钱的机器。但他们当时并没有意识到自己创造了一个“怪物”，这台机器在未来的20年里除了吞噬金钱没有做任何事情。[1]
——瑞尼·雷吉梅克
什么是光刻机
光刻机（Mask Aligner) ，又名掩模对准曝光机，是芯片制造流程中，光刻工艺的核心设备。芯片的制造流程极其复杂，但可以概括为几大步骤：
硅片的制备-->外延工艺-->热氧化-->扩散掺杂-->离子注入-->薄膜制备-->光刻-->刻蚀-->工艺集成等。
而光刻工艺是制造流程中最关键的一步，光刻确定了芯片的关键尺寸，在整个芯片的制造过程中约占据了整体制造成本的35%。
光刻（photolithography）工艺是将掩膜版（光刻版）上的几何图形转移到晶圆表面的光刻胶上。首先光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶圆表面，再经过分步重复曝光和显影处理之后，在晶圆上形成需要的图形。
（注：光刻原理示意图，来源：科普中国）
通常以一个制程所需要经过掩膜数量来表示这个制程的难易。根据曝光方式不同，光刻可分为接触式、接近式和投影式；根据光刻面数的不同，有单面对准光刻和双面对准光刻；根据光刻胶类型不同，有薄胶光刻和厚胶光刻。而光刻机本身按照应用可以分为几类，用于制造芯片的光刻机，用于封装的光刻机和应用于LED制造领域的投影光刻机。
光刻机一般根据操作的简便性分为三种，手动、半自动、全自动。
手动：指的是对准的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴，Y轴和thita角度来完成对准，对准精度可想而知不高了；
半自动：指的是对准可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐；
自动： 指的是 从基板的上载下载，曝光时长和循环都是通过程序控制，自动光刻机主要是满足工厂对于处理量的需要。
一般的光刻流程包括底膜处理、涂胶、前烘、对准曝光、显影、刻蚀，去胶光刻检验等，可以根据实际情况调整流程中的操作。
介绍完了光刻机，要知道为什么最好的光刻机来自荷兰，而不是美国，得从半导体发展的三个历史阶段说起。
第一阶段：上世纪60~70年代 早期光刻机
在光刻机的早期阶段，美国是走在世界前面的，那时候还没有ASML。
过去的几十年，美国在半导体行业一直都处于霸主地位，但为什么美国没有一家光刻机大厂？在一个盛产风车和郁金香的国家，早期只有三十几个人的ASML是怎么崛起的？这一切，要从半导体发展的三3个历史阶段 说起。
第一个阶段是上个二十世纪 六七年代，光刻机的早期阶段，美国是走在世界前面的，那时候还没有ASML，集成电路也刚刚发明不久。
当前的光刻工艺相当复杂，但是在集成电路发明之初，工艺还在微米级别，工艺步骤比现在简单很多。况且光刻机的基本原理其实很简单，如图4-1所示，首先将感光罩均匀地涂抹在晶圆上，紫外线将电路结构印在感光罩上，在晶圆上产生晶体管的结构。
光刻技术原理图
因此，在那个对工艺要求并不高的年代，光刻机也并不是什么卡脖子的技术，很多半导体公司通常自己用镜头设计光刻工具。只有Siemens、GCA、Kasper Instruments和Kulick＆Soffa等很少几家公司涉足这个领域。而尼康和佳能，也就是在这个时候，开始为美国GCA公司配套光学镜头。
由于光刻机在当时甚至不如照相机复杂，在和GCA合作的过程中，也学到了不少的光刻相关的技术，再加之国内半导体的潜在市场，1969年Nikon（尼康）开发了第一台光中继器，光中继器是晶圆步进机的前身。此后分别开发了光学测距设备，刻线机等。这些设备的技术积累都为光刻机打下了坚实基础。
1961年，美国GCA医疗技术公司造出了第一台光刻机
1970年，佳能发布了日本半导体历史上首台光刻机—PPC-1，如图所示。至此正式宣布进军半导体领域。
日本半导体历史上首台光刻机—PPC-1
同年，Kasper Instruments公司首先推出了接触式对齐机台，Kulick＆Soffa推出第一台自动掩模对准仪Micralign。
1971年，由几名前Kasper的工程师，成立了一家新公司Cobilt,，做出了自动生产线 ，但接触式机台后来被接近式机台所淘汰，因为掩膜和光刻胶多次碰到一起太容易被污染了。1972年，Computervision收购Cobilt，并把当时他们的接触掩膜自动对准系统整合进Cobilt。
1973年，拿到美国军方投资的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系统，这也是世界首台投影式光刻机。搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高，因此迅速占领了市场。
1974年，德国Süss公司发明了双面掩模对准系统（double-side mask aligner），。次年，Süss推出双面掩模对准仪MJB55。
1975年，Canon推出了日本第一台接近式掩模对准器PLA-500。
1978年，GCA推出了具有划时代意义的步进式光刻机DSW4800（direct step to wafer）。该机器使用波长436纳米的g线作为曝光光源，镜头则是卡尔蔡司的S-Planar 10/0.28。DSW的分辨率可达1微米，可以将电路刻到100毫米见方的区域，如图4-4所示。此台光刻在当时的价格为45万美元，在那个年代说是天价也并不过分。步进式的光刻机相对于接触式和接近式光刻机，造成的污染小，良率高，所以当时很多半导体公司，比如西门子，、IBM，、美国国家半导体等都成为了GCA的客户，这也让GCA一点点蚕食了Perkin Elmer的市场。
纵观20世纪六七十年代，光刻机市场依然处于不成熟的阶段，主要由美国主导。而日本的尼康和佳能也才刚刚展露头角。而这平静之后，则迎来了整个行业的狂风暴雨。
第二阶段 半导体行业的第一次转移
在20世纪八九十年代，半导体产业进行了第一次转移。因为美国扶植，最开始是将一些装配产业向日本转移，而日本也抓住了机会，在半导体领域趁势崛起。在90年代前后，日本的半导体产业成为了全球第一，高峰期时占了全球60%多的份额，出口额全球第一，超过美国。
1980年尼康推出日本首个商用步进式光刻机NSR-1010G。短短几年，就将昔日光刻机大国美国拉下马，与旧王者GCA平起平坐，拿下三成市场份额。在那个芯片制程还停留在微米的时代，能做光刻机的企业，少说也有数十家，而尼康凭借着相机时代的积累，在那个日本半导体产业全面崛起的年代，逐步成长为当之无愧的巨头。
图4-5 尼康i线步进式光刻机
对光刻机来说，想要得到更小的曝光尺寸，就需要波长更短的光源。而在上个世纪90年代，光刻机的光源波长被卡死在193nm，摩尔定律也因此遇到了危机，这也是整个半导体产业面临的一大难关。而后来尼康作为九十年代最大的光刻机巨头，它的衰落也是非常的戏剧化。
降低光的波长，光源出发是根本方法。当时业界比较主流的是157nm F2激光，但157nm光源在技术上也遇到了重重问题，同时对资金和人力的投入也是非常巨大的。
此时，华裔科学家林本坚想出了一个解决问题的办法。既然157nm光源难以攻克，不如从现有的193nm入手，高中学生都知道，光由真空入水，因为水的折射率，光的波长会改变——在透镜和硅片之间加一层水或者其他折射率合适的液体，原有的193nm激光经过折射，不就直接越过了157nm的天堑，降低到132nm了吗！
天才之所以成为天才，总是能用最简单的办法，解决最难的问题。但科学界的奇才，却不一定在商业界获得成功。
林本坚拿着这项“沉浸式光刻”方案，跑遍美国、德国、日本等国，游说各家半导体巨头，但都吃了闭门羹。
而后来尼康作为九十年代最大的光刻机巨头，它的衰落，说来也充满偶然，始于那一回157nm光源干刻法与193nm光源湿刻法的技术之争。
当时的光刻机的光源波长被卡死在193nm，是摆在全产业面前的一道难关。
降低光的波长，光源出发是根本方法，但高中学生都知道，光由真空入水，因为水的折射率，光的波长会改变——在透镜和硅片之间加一层水，原有的193nm激光经过折射，不就直接越过了157nm的天堑，降低到132nm了吗！[2]
林本坚拿着这项“沉浸式光刻”方案，跑遍美国、德国、日本等国，游说各家半导体巨头，但都吃了闭门羹。
当时还是小角色的阿斯麦（1984年飞利浦和一家小公司ASM Internationa以50:50组成的合资公司，最初员工只有31人）决定赌一把，相比之前在传统干式微影上的投入，押注浸润式技术更有可能以小博大。于是和林本坚一拍即合，仅用一年时间，就在2004年就拼全力赶出了第一台样机，并先后夺下IBM和台积电等大客户的订单。
图4-7 1980年SEMI制作的油画《光刻先驱》
第三阶段：新千年 ASML的崛起
半导体的第三个阶段则是以新千年开始。1997年，美国能源部和英特尔牵头成立了EUV LLC的联盟。联盟中其他成员的都是显赫一时IDE巨头，包括摩托罗拉、AMD、IBM，以及美国三大国家实验室：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实验室。这些实验室是美国科技发展的幕后英雄，之前的研究成果覆盖物理、化学、制造业、半导体产业的各种前沿方向，有核武器、超级计算机、国家点火装置，甚至还有二十多种新发现的化学元素。
资金到位，技术入场，人才云集，但偏偏联盟中的美国光刻机企业SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落，根本烂泥扶不上墙。于是，英特尔力邀ASML和尼康加入EUV LLC。但对想掌握科技霸权的美国来说，这两家公司，一个来自日本，一个来自荷兰，都不是本土企业。
当时的美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术，并不太希望外国企业参与其中，更何况八九十年代在半导体领域压了美国风头的日本。
但EUV光刻机又几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。光源功率要求极高，透镜和反射镜系统也极致精密，还需要真空环境，配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也不高。别说日本与荷兰，就算是美国，想要一己之力自主突破这项技术，可以说比登天还难，毕竟美国已经登月了。
最后，阿斯麦同意在美国建立一所工厂和一个研发中心，以此满足所有美国本土的产能需求。另外，还保证55%的零部件均从美国供应商处采购，并接受定期审查。所以为什么美国能禁止荷兰的光刻机出口中国，一切的原因都始于此时。
错失EUV的尼康，还未完全失去机会，让它一蹶不振的，是盟友的离开。当时的英特尔为了防止核心设备供应商一家独大，直到22nm还是一直采购ASML和尼康两家的光刻机。但在半导体行业的玩法就是赢家通吃一切。英特尔为了延续摩尔定律的节奏，巨资入股阿斯麦，顺带将EUV技术托付。
另一边，相比一步步集成了全球制造业精华的阿斯麦，早年间就习惯单打独斗的尼康在遭遇美国封锁后，更是一步步落后，先进设备技术跟不上且不提，就连落后设备的制造效率也迟迟提不上来。而佳能在光刻机领域一直没有争过老大，当年它的数码相机称霸世界，利润很好，对一年销量只有上百台的光刻机根本不够重视。
此后，英特尔连同三星和台积电，以巨资先后入股阿斯麦，以此获得优先供货权，结成紧密的利益共同体。
图4-8
终于，在2015年，第一台可量产的EUV样机正式发布。正所谓机器一响，黄金万两，当年只要能抢先拿到机器开工，就相当于直接开动了印钞产线，EUV光刻机也因此被冠上了“印钱许可证”的名号。
可以说，整个西方最先进的工业体系，托举起了如今的阿斯麦。而一代霸主尼康，也自此彻底零落在历史的尘埃之中。[3]
ASML EUV光刻机
结语
ASML虽然是一家荷兰公司，但是其背后却由美国的资本掌控，同时很多关键的零部件也来自美国。美国在半导体产业的强大，不仅仅在于设计，EDA，制造等方面技术领先，更是掌控着整个产业链。而光刻机，是其中尤为重要的一环。
另外像ASML这样的企业，不在美国还有一大好处，就是避免了美国有反垄断法，（AMD作为Intel的对手，Intel也不希望AMD倒下，否则将面临巨额罚款）这家企业放在美国，可能会被分为2家。容易导致人才和资金的分散，研发速度下降，甚至恶意竞争，最终被其他企业反超。
纵观光刻机半个多世纪的发展史，ASML抓住了历史的机遇，同时也是美日半导体博弈中的幸运儿，在三家半导体巨头：英特尔、三星、台积电的支持下，成为了半导体行业的巨人！
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