世界上最复杂的机器
我们口袋里的手机，内存是引导阿波罗登月的房间级计算机的两百万倍，速度快数千倍。这场不可思议的缩小奇迹，源于我们能把晶体管做得越来越小。
每个晶体管都是一个微观开关，可以在 1 和 0 之间切换——所有计算的基本语言。数十亿个晶体管被塞进称为半导体的微小硅片。一片芯片容纳的晶体管越多，它能承载的逻辑与存储电路越多，能做的事就越多。可以说，先进半导体是世界上最重要的技术。过去五年，它们甚至成为中美之间的地缘政治导火索。但无论竞争多激烈，任何希望制造半导体的国家或公司都依赖一家公司：ASML。BBC 在 2020 年称其为「一家相对默默无闻的荷兰公司」——ASML 制造着世界上唯一能把晶体管以必要精度「印」到芯片上、让数十亿晶体管塞进一片 30 厘米晶圆的机器。
这些机器大约有双层巴士那么大。运送一台需要 40 个货运集装箱、三架货机和 20 辆卡车。它们是世界上最复杂的物体：每台包含超过十万个组件，全部必须完美校准，机器才能持续产生正确波长的光。
ASML 如今是这些机器的唯一供应商，并将持续相当长时间。但它起步时是芯片行业的落后者。超越竞争对手需要许多很少与欧洲公司联系在一起的东西：与美国政府的紧密合作、向外国竞争对手出售大额股份、以及对一项未经验证技术的巨大豪赌。
要有光
ASML 成功的关键是光刻技术（photolithography）：通过光照把图案转移到半导体晶圆上。1950 年代的第一代芯片制造商曾试图手工绘制这些图案，但任何与晶圆的物理接触都会划伤、弄脏或扭曲图案。贝尔实验室和美国军方的科学家各自独立意识到：可以用光来印刷相同的图案，而不接触晶圆。
制造芯片时，工程师从一片薄的半导体材料晶圆（通常是硅）开始，涂上一层名为光刻胶的化学品，它遇光发生反应。光刻时，光透过精细图案投射到涂覆光刻胶的晶圆上，使曝光区域软化。清洗掉软化部分，露出下面的硅。然后送入刻蚀机，用带电的氯气或溴气轰击，把想要的图案刻进裸露的硅。这些结构随后填充钨、铜等金属，把晶体管连接到电源。层层刻蚀最终组合成精密的晶体管网络。
随着时间推移，半导体制造生态发展出越来越精细的刻蚀工艺，使用越来越短的光波长。更短的波长衍射更少，光走得更直，能印出更锐利、更微小的细节。早期光刻依赖类似路灯的水银灯，更现代的机器则用氩氟气体产生的激光。到 2010 年，这类激光通过多重曝光实现了 22 纳米特征。
这项技术最先进的版本——极紫外光刻（EUV）——用于制造最小的芯片。2025 年最小的芯片 marketed 为三纳米，大约是头发丝的 1/25000。制造它们时：一滴液态锡被释放进腔体，被一束光脉冲熔化摊平；液滴继续下落时，第二个更强的脉冲将其汽化，产生极热等离子体，发出 EUV 所需的窄波段光。光束随后被一系列微凹反射镜汇聚——这些镜子完美到如果放大到德国国土那么大，瑕疵也以毫米计。工程师必须用反射镜而非传统光刻的玻璃透镜，因为几乎所有固体材料都会吸收这么短波长的光。
光最终照射到掩模上——它载有待印到芯片上的图案。由于掩模上的图案通常比芯片上想要的大几倍，光再经第二组反射镜反射。光从掩模反射后，携带着从每点向外发散的光线束。下一组镜子把这些光线向内收拢，让它们在更短的距离内重新汇聚——各点光线汇聚得越早，形成的图像在物理上就越小。通过几面精心塑形的镜子反复这样做，工程师把图案按固定比例缩小并保持聚焦。缩小四倍后，光抵达晶圆。
伟大的缩小
长波长像钝凿子：适合粗加工，难以捕捉精细细节。光波相对于掩模上它们必须反射的微小特征越大，遇到比自身更小的东西时就越会绕射扩散而非投下锐利阴影。钝凿子要刻出同样的细节就得反复描（产生更模糊的边缘）。光刻必须把波长一路推进到极紫外波段，才能实现先进制程节点所需的高分辨率图形。
低至 13.5 纳米的波长可以单次曝光实现更精确的图案。事实上，EUV 能把三四轮光刻循环合并为一轮。没有 EUV，生产五纳米节点可能需要多达一百个不同步骤。今天，ASML 主导整个光刻市场，在 EUV 上拥有有效垄断。它的 EUV 机器售价超过 1.2 亿美元，公司市值超 4000 亿美元，是欧洲最有价值的公司之一。但并非从来如此。
起源
ASML 生于荷兰消费电子巨头飞利浦内部。1970 年代，飞利浦约占全球电子市场 20%，也是主要芯片制造商。当时光刻机用 400 纳米以上波长制作 1000 纳米特征，行业在缩小特征尺寸时始终难以兼顾精度与灰尘缺陷。飞利浦凭借光学与精密机械的专长开始自研原型机。到 1980 年代初项目陷入困境——公司想削减成本，而工程师估算需要今天 2.8 亿多美元才能完成研发与量产。
1984 年，飞利浦把「先进半导体材料光刻」（后简称 ASML）分拆为与 ASM International 的合资企业——后者是向半导体行业出售设备的荷兰集团。生意起步艰难：没有市场份额，没有品牌认知。第一款产品 PAS 2000 商业失败——它用类似汽车动力转向的油压（而非电机）驱动曝光时的晶圆载台，平滑精确但容易漏油。在 ASML 参加的第一个行业会议上，一位高管告诉他们：「这场比赛已经跑完了，这里没有你的位置。」ASML 换回了电机。
公司从最初就采取不同寻常的策略：当日本巨头尼康和佳能垂直整合时，ASML 把光学、电机等关键组件外包，专注最终机器的组装与优化。既然外包，采用模块化设计、清晰定义子系统就顺理成章。这种做法在欧洲制造圈被嘲讽——德国工程师警告 ASML 高层这是「自找麻烦」，不自产关键组件就会「失去一切控制」。但 ASML 别无选择：它没有从零自建这些子系统的资本、专长和时间。
到 1988 年，ASML 濒临崩溃。ASM International 已经撤出，飞利浦考虑关掉它。救它的是飞利浦董事会成员 Gerd Lorenz——他特别担忧欧洲对亚洲战略技术的依赖与日俱增，主张欧洲需要在芯片制造中占有一席。这足以让飞利浦多给 ASML 一些时间，但没有解决根本问题：它仍是一个没有竞争优势的劣质供应商。
ASML 用争取来的时间开发了 1991 年发布的 PAS 5500——公司第一个商业突破。尼康同时代的光刻系统更精密，但 ASML 的模块化设计意味着机器可以现场快速修复。停机时间减少，零件易换，机器寿命延长。这是 IBM 半导体研发总监 John Kelly 推动 IBM 选择 PAS 5500 而非日本机器的关键因素。ASML 走向了全球。
最初的突破
ASML 的成功依赖 1990 年代末与 2000 年代的两个项目，它们给了它巨大的研发优势。
第一个是 1997 年启动的公私合作「极紫外有限责任公司」（EUV LLC）。它起初是一场救援行动。1997 年前，基础半导体研究只在少数几个依赖政府拨款的实验室进行。EUV 研究的原有计划是一个「虚拟国家实验室」——联合劳伦斯利弗莫尔、桑迪亚和劳伦斯伯克利三个国家实验室，各管一段：利弗莫尔负责反射镜与光学，桑迪亚负责光源与系统工程，伯克利负责先进测试设备。1996 年能源部预算削减，这个虚拟国家实验室计划上了裁撤名单。当时无可争议的微处理器霸主英特尔急于保住成果，牵头成立了 EUV LLC——美国能源部历史上最大的同类公私合作。六年间它向 EUV 开发投入超过 2.7 亿美元，资金来自向成员公司出售股份，成员享有购买所产光刻设备的优先权。
公司最初只对美国企业开放。ASML 与日本对手佳能、尼康最初都被排除在外。从一开始就加入的唯一老牌半导体设备商是硅谷集团——市场份额仅 5%（ASML 是 20%）。其余参与方担心依赖这么小的制造商风险太大，结论是：与其冒让整个市场旁落的险，不如向外国公司开放。ASML 获准参与，条件是承诺在美国设立研究中心，并为美国市场销售的系统采购 55% 的美国组件。实践中这一承诺从未被强制执行。日本竞争者始终未被允许加入——美国上下弥漫着对日本竞争的恐惧。
这个计划积累了海量的知识产权与工艺知识。此类公私合作通常只授予参与公司非独占许可，而这一次，合作伙伴获得了完全所有权。
2001 年，硅谷集团陷入现金流困难，ASML 收购了它，成为合作中唯一幸存的设备制造商。当联盟造出第一台全尺寸 EUV 原型机（工程测试台）时，ASML 独自立于光刻的最前沿——这是 13.5 纳米光可以在芯片上印出密集特征的首次证明。
工程测试台建成时，计划已证明可以稳定产生 EUV 光，工程师们得以开始建造真正生产工具可用的反射镜和透镜。但还有未解问题——如何提高机器吞吐量、如何在生产环境中增强光源功率——ASML 需要在接近真实的环境中测试机器。没有芯片制造商愿意在如此早期阶段扛起这么大、这么险的项目。
对 ASML 成功同样关键的第二个项目是比利时的校际微电子中心（IMEC）：一个收集各家公司的机器、允许研究者在半真实环境中测试、同时保护公司知识产权的研究组织。当潜在客户开始评估下一代光刻技术的各种选项时，ASML 利用 IMEC 推广自己的 EUV 原型。目标名单的榜首是台积电——今天全球最大的芯片代工厂。台积电 1987 年创立，其历史自诞生起就与 ASML 交织：ASML 的前母公司飞利浦持有它 27.5% 的股份。在 IMEC 看到 ASML 的机器展出，促使台积电与 ASML 结成 EUV 开发伙伴。相比之下，佳能和尼康对自己的研究讳莫如深，几乎不与外部公司合作。理论上这让他们保持更大控制权、捕获更多价值链，但也意味着他们要独自解决一堆令人眼花缭乱的基础物理问题，同时独自承担全部财务风险。
由于 ASML 机器的几乎所有部件都由其他公司制造，它成了五千多家公司组成的庞大供应链的主人。它以非常刻意的方式分散供应商：80% 的支出给欧洲和中东的公司（明显不包括美国，尽管有先前协议），以降低美国或亚洲关键供应商可能面临的出口管制、关税等地缘政治风险。它还要求供应商来自 ASML 的收入不超过 25%，迫使它们不过度依赖动荡的半导体市场。虽然大部分组件来自大量小供应商，ASML 与最大的供应商结成了深厚纽带：它收购了光学厂商蔡司 24.9% 的股份；激光厂商通快的副董事长 Peter Leibinger 说 ASML 和通快是「实质上合并的公司」。
赢得战争
EUV 直到 2018 年才成为成功的商业技术——距 EUV LLC 成立 20 多年、距 IMEC 创立 34 年。其间它吞噬着越来越多的资源。到 2015 年，ASML 每年研发支出超过 10 亿美元，是 2010 年的两倍多。据某些估计，到 2014 年行业在 EUV 上的累计投入已超 200 亿美元，且没有任何回报保证。
ASML 能继续往这个黑洞里砸钱，部分因为它已经打败了竞争对手。到 2010 年，它占有光刻市场三分之二，是快速增长的智能手机市场的主导供应商，与英特尔、三星、台积电深度绑定。这个地位来自赢得 2000 年代的决定性技术之战。千禧年之交，整个半导体行业撞上一堵物理墙：几十年来电路一直靠切换更短波长来缩小，但标准的 193 纳米光（约为头发丝的五百分之一）已经太钝，画不出更小的电路。尼康试图开发 157 纳米的新光源。但这么短的光会被标准玻璃吸收和扭曲，迫使尼康用氟化钙造透镜——一种稀有、易碎、抛光昂贵且受热易裂的晶体。行业往这条「干式」光刻路线砸了数亿美元，却发现制造挑战无法逾越。
ASML 的伙伴关系帮它避开了这个死胡同。台积电研究员林本坚建议改用浸没式光刻。ASML 继续用 193 纳米光，但在透镜与硅晶圆之间加一层水。就像吸管插进水杯会显得弯折放大，机器里的水弯折了光波，锐化了焦点，无需新透镜就能印出更小的电路。
ASML 又引入革命性的 TWINSCAN 双工件台架构巩固优势。老机器测量晶圆表面平整度时光源闲置；ASML 的双台系统在一块晶圆被测量的同时，另一块正在曝光。制造过程中的死区时间被消灭，芯片厂时产量显著提升。到尼康 2005 年放弃 157 纳米项目时，ASML 已成为行业标准，市场份额 53.2%。它的机器比竞争对手好到可以收近两倍的价钱：5500 万美元对尼康同类设备的 3000 万美元。
但这还不够。虽然 ASML 从 2006 年起开始向 IMEC 发运 EUV 原型机，但它们又慢又爱坏，商业上毫无用处。2012 年，仍在全球金融危机余震中的 ASML 难以为继 EUV 投入。
一个激进的举动——一半是绝望地维持研究，一半是一劳永逸赢得 EUV 市场的战略赌注——领导层推出了联合投资计划，把公司 23% 的股份卖给三大客户：英特尔、台积电、三星。这笔资金还让 ASML 完成了对供应商 Cymer（光刻光源制造商）25 亿美元的收购，得以投入 Cymer 的研发完善软 X 射线光源：以恰到好处的力量击打高速飞行的锡滴使其失去电子，又精确到不溅出太多碎屑污染反射镜。他们的解法是从单脉冲改为双脉冲：预脉冲塑形液滴，主脉冲产生等离子体。效率和稳定性双双提升。
ASML 与台积电的紧密伙伴关系尤为关键。2014 年，台积电发布首款苹果芯片——苹果已是其最大客户，并施压要求生产超出既有机器能力的更高性能芯片。完成商用 EUV 机器变得迫在眉睫。两家公司紧密到台积电负责监督 EUV 开发的部门总监 Anthony Yen 形容他们是「一个团队」。双方的工程师不知疲倦地排障、迭代，直到达到必要吞吐量：一个月内每天 500 片晶圆。期间联合团队重新设计了锡滴发生器和激光击打方式：新装置产生的液滴只有原来一半大小，却产生同样的极紫外能量。更小的液滴汽化时溅出的碎屑少得多，集流镜上的锡积累变慢，镜子更换频率降低，机器持续运行时间更长。
这场合作对 ASML 是胜利——它解决了关键的工程与商业化难题；对台积电也是——它成为最尖端技术的早期采用者。到 2019 年，台积电量产 7 纳米制程，年底首批搭载 EUV 芯片的手机上市。
与此同时，从未像 ASML 那样坚信 EUV 的竞争对手（如尼康）事实上放弃了。尼康在 2013 年年报中提到自己的 EUV 进展未达预期，此后年报再未提及。随着 ASML 在研发上领先并锁定关键客户需求，而竞争对手在金融危机后难以证明自身研发支出的合理性，ASML 成了这场技术商业化竞赛中最后的站着的人。
默会知识的重要性
早期，ASML 培养了一种比同行更能容忍风险的文化：早早提拔高潜人才，关键员工留任数十年。这在很大程度上是艰难早期岁月的产物——ASML 需要年轻一代的天赋来拯救公司，因此更愿意快速提拔和授权他们。
例如 Martin Van Den Brink 1984 年加入 ASML，18 个月内、年仅 29 岁就成为公司早期旗舰项目两位开发负责人之一。他在 ASML 工作到退休，担任总裁兼首席技术官直至 2024 年退休。这种做法在等级更森严、论资排辈的日本对手中远不常见。
在光刻这种大量依赖默会知识组装机器的领域，留住最优秀的员工尤为关键。一位 ASML 工程师曾告诉中国主要 ASML 竞争对手上海微电子装备的创始人贺荣明：就算拿到图纸，他们也造不出 ASML 的产品——这些产品体现的是「几十年甚至几个世纪」的知识与经验。ASML 的中国竞争者系统性地试图挖角前 ASML 工程师，也至少有一例前员工非法交出专有信息的记录在案。但这些似乎都没有缩小差距。
一个欧洲巨人
ASML 是欧洲科技巨人的罕见样本。它的成功源于跨大西洋合作而非大陆的狭隘主义。如果当年没有加入美国芯片公司资助的计划，光刻行业今天可能仍由佳能和尼康主导——只是更不先进。与其他公司的合作同样重要：垂直整合让尼康和佳能拥有完全控制，却也把创新封顶在内部资源的极限。在一个超过十万组件的系统里，这个天花板是致命的。ASML 的模块化策略让它通过收购 Cymer、投资蔡司引入前沿物理，同时把风险分摊给英特尔、台积电这样的客户。这一策略创造了一台集体引擎——在投入与速度上碾压了每一个试图独自扛起全部负担的对手。
这需要巨大的勇气。ASML 在 EUV 的开发与商业化上投入数十亿美元，没有任何成功的保证。直到 2010 年代，许多半导体专家还怀疑这项技术能否成功商业化。现在，它是世界上最重要的技术。
但 ASML——乃至整个欧洲大陆——不能停下。就在 ASML 享受全球最重要产业不可或缺的支柱地位时，其他人正在创造芯片技术的新范式。摩尔定律大概不会止步于此，几年之后，五纳米也将不够小。