ASML的優勢，是通過一系列決策建立起來的——這一過程始於2000年代初期的157nm光刻。在這些決策中，即使經濟前景並不確定，而且競爭對手認為風險不值得承擔，ASML 仍然一次又一次選擇將極其困難的下一代技術堅持推進，直至形成一套能夠實際運行的生產系統。
本文將從157nm光刻開始，追溯這一發展模式，隨後延伸到193nm浸沒式光刻和 EUV；分析為什麼Nikon（尼康）和Canon（佳能）做出了不同的選擇；並進一步探討，新一代無掩模、數字控制光刻技術，是否有可能對 ASML 當前的地位構成第一個真正意義上的架構性挑戰——而這種挑戰最有可能首先出現在低產量、高混合度製造領域，而不是先進邏輯晶片的最前沿。
01. 157nm插曲：一項輸掉競賽的技術
2000年代初期，ASML、Nikon和Canon都在開發 157 nm 光學光刻技術，當時業界普遍認為它將成為 193 nm 乾式光刻的下一代技術。三家公司都在大約2002—2003年間公佈了相關技術路線圖。
ASML走得最遠：2003 年 4 月，ASML 宣佈交付 Micrascan VII。該裝置被描述為行業第一套能夠製造出實際可工作晶片的全視場 157 nm 步進掃描系統，其中也包括交付給 IMEC 的裝置。
Nikon製造了一套全視場 157 nm 掃描光刻機，並行表了有關其投影光學系統以及這一波長所要求的超高純度氣體環境的詳細研究。
Canon則圍繞 157 nm 氟基照明光源設計了 FPA-6000 平台，之後又在同一平台上推出了 ArF 和 KrF 版本。
157nm並不是因為被證明在技術上不可行而遭到放棄——到 2003—2004 年，Micrascan VII 已經能夠展示全視場 157 nm 成像，而 IMEC 的研究也表明，核心技術障礙在很大程度上已經被克服。
它之所以被淘汰，是因為出現了一條在經濟性和技術上都更好的路徑。
原本規劃中的技術演進順序是：193 nm 乾式 → 157 nm → 193 nm 浸沒式
但實際發生的是：193 nm 乾式 → 193 nm 浸沒式 → 多重圖形化 → EUV
事實證明，193 nm 水浸沒技術能夠將既有的 193 nm 平台延伸到遠超最初預期的程度，而其生態系統成本只是引入一種全新波長所需成本的一小部分。
157nm面臨的問題從來不只侷限於掃描光刻機本身，而是延伸到了整個配套生態系統：
CaF₂光學材料的要求變得極其苛刻，推動系統走向全 CaF₂投影光學方案。157 nm 光刻膠需要全新的含氟化學體系。傳統的軟式保護膜（soft pellicle）無法在這一波長下工作。硬式保護膜（hard pellicle）又帶來了自身的成本和整合問題。光罩透射率和污染控制變得更加困難。雷射器和環境控制要求變得更加嚴格。193 nm 浸沒式光刻提供了一種容易得多的方式，可以繼續延伸行業已經擁有的基礎設施。
當時的分析很好地概括了這一局面：光刻機廠商認為，雷射器、鏡頭和工件台技術基本已經準備就緒，但周邊基礎設施——尤其是保護膜和光刻膠——仍然是主要障礙。
從這個意義上說，與其把 157 nm 理解為一項徹底失敗的技術，不如把它理解為一項輸掉了競賽的技術。
它與後來半導體行業放棄 450 mm 晶圓有明顯相似之處：兩條路線在技術上都具有可信度，但在進入主流製造之前，都失去了經濟上的合理性。
即使是在這場“失敗”中，157 nm 仍然給 ASML 帶來了極其寶貴的東西：它讓 ASML 獲得了直接經驗，將一個異常複雜的下一代技術生態系統——包括雷射器、照明系統、CaF₂ 光學系統、掃描器機械結構、晶圓台、光罩、保護膜、光刻膠、污染控制以及工藝整合——整合成一套能夠正常工作、並且能夠交付的完整平台。
Nikon和Canon同樣擁有嚴肅而深入的研發項目，但它們並沒有達到同等程度的實際營運投入和承諾。
這種組織層面的經驗差異，在此後的二十年中不斷累積並被放大。
02. ASML、Nikon與Canon之間的戰略不對稱
此後局面之所以如此發展，並不是因為 ASML 擁有某種 Nikon 和 Canon 所不具備的獨特光學能力——Nikon 和 Canon 同樣擁有極其出色的精密工程和光學技術能力。
真正的解釋在於：每家公司願意把多少資本、工程資源以及企業層面的風險投入到先進光刻技術中。
而這種投入意願，又取決於先進光刻業務對於各家公司而言，在多大程度上關係到自身的生存和發展。
ASML從飛利浦拆分出來後，只有一個市場，要麼成功，要麼失敗。尼康的半導體光刻業務雖然十分重要，但對於一家擁有龐大影像與精密裝置業務組合的公司而言，它只是其中一部分。佳能的業務更加多元，橫跨消費級和商用影像、列印、相機以及醫療裝置，先進半導體光刻在其整體業務中的佔比相對較小。（經常被引用的資料是——尼康約60%的業務與半導體光刻相關，而佳能約為5%——如果沒有明確界定統計範圍和年份，這些數字更應被視為具有指示意義，而非精確資料，但其背後的這種不對稱性是有充分依據的。）對於ASML而言，放棄下一代高難度技術，可能比投入其中更加危險。對於尼康和佳能而言，情況確實不同，因為它們還有其他領域可以投入資本。
03. 193i轉向與不斷增強的飛輪
ASML對157nm事件的回應，並不是得出“下一代光刻技術過於困難”的結論，而是認為，真正能夠勝出的技術，是能夠以最低的整體生態系統成本實現最大解析度提升的技術。這一判斷直接推動了193nm浸沒式光刻的積極商業化。隨著193i成為行業首選路線，ASML建立了越來越龐大的裝機基礎，並在其上疊加了一系列不斷擴展、彼此聯動的能力：投影光學、浸沒技術、晶圓工作台、對準、套刻、計算光刻、量測、光源技術、生產效率、裝置正常執行階段間以及服務基礎設施。其優勢開始變成一種累積優勢，而不再只是光學技術上的優勢。
這形成了一個自我強化的飛輪：157nm項目讓ASML學會了如何整合一個極其複雜的光刻生態系統；193nm浸沒式光刻將這種能力轉化為更大的裝機基礎和更深入的客戶關係；由此產生的收入又為更先進的工作台、光學系統、套刻技術和軟體提供資金；而這一平台反過來又為押注EUV提供了資金。一旦EUV變得可行，更廣泛的供應商生態已經圍繞ASML組織起來，而ASML實際上也成為唯一有能力交付最先進光刻機的供應商。到了這個階段，尼康和佳能已經不再只是落後於某一個單項指標——它們落後的是整個生態系統，而這種差距要困難得多才能彌合。
04. EUV：終極押注
尼康和佳能並不是因為缺乏技術能力而輸掉EUV競賽；兩家公司都擁有深厚的光學和半導體專業能力，也都參與過EUV開發。真正將它們與ASML區分開的，是風險承受能力和戰略投入程度。EUV需要在多年時間裡投入數十億美元，同時面對一長串尚未解決的技術風險：光源是否最終能夠達到足夠的功率、集光器能否在實際運行中存活、污染是否會摧毀生產效率、多層反射鏡能否達到所需性能、掩模缺陷和光刻膠靈敏度不足的問題能否解決、保護膜是否可行、工作台和套刻性能能否達到要求，以及最終客戶是否願意為由此產生的裝置買單。對於一家整個業務都建立在先進光刻之上的公司而言，不進行這場押注，可能才是更大的風險。對於尼康和佳能而言，不去追逐一項可能危及其他更加多元化業務的押注，則是一個理性的決定。
05. 中國的不同路徑
中國面臨的光刻問題，與尼康和佳能當年面對的問題有著根本不同。尼康和佳能可以理性地決定，與ASML在最尖端領域競爭並不值得承擔這種風險，因為兩家公司都有其他業務作為退路。如果中國希望擁有自主的先進半導體製造能力，它就沒有這種選擇；兩者面對的激勵結構並不可比。
中國正在同時推進兩條路線。第一條是追趕路線：193nm DUV，然後是193i，再到越來越激進的多重圖形化，大體沿著ASML、尼康和佳能過去已經走過的歷史路線前進。
第二條是圍繞下一代大規模平行無掩模寫入技術展開的跨越式路線，據報導，這一路線建立在多電子束架構相關工作的基礎之上，並有經驗豐富的電子束架構專家在多年時間裡參與其中。如果第二條路線能夠在經濟上取得成功，中國就不需要完整復現ASML的整個技術歷史——KrF、ArF、ArF浸沒式、多重圖形化、EUV——也能夠達到相當的圖形化能力。它可以繞過瓶頸，而不是一點一點彌合差距。這也重新定義了真正需要討論的問題：問題不是中國最終能否複製一台EUV光刻機，而是中國是否真的需要這樣做。
06. 數字無掩模光刻的邏輯
無掩模光刻最核心的承諾，是消除傳統光刻鏈條中最昂貴的組成部分之一：光掩模或光罩。傳統流程是數字設計→掩模→光學投影→晶圓，而無掩模流程則變成數字設計→直寫圖形化→晶圓。目前有多種架構正在競爭實現這一目標：多電子束和多電子柱電子束、多光子及其他直寫光學方案，以及各種混合方案。
大規模平行電子束曝光的基礎物理原理，已經在掩模寫入中得到驗證，儘管晶圓寫入是一個難度明顯更高的問題。Mapper Lithography曾沿著這一路線推進，並證明了底層方案的可行性，但在其主要出資人、前ASML聯合創始人Arthur Del Prado去世後，公司最終因資金耗盡而失敗。隨後，ASML收購了Mapper的資產，主要目的是將多電子束技術應用於量測，而不是晶圓寫入。
掩模寫入和高產量製造（HVM）晶圓直寫並不是同一個問題。掩模寫入可以容忍低得多的吞吐量，因為一家晶圓廠只需要寫少量掩模，而不是每天加工數百片晶圓。要將一種多電子束架構從少數電子束擴展到HVM晶圓寫入所需的數千束電子束，會帶來層層疊加的困難：隨著電子束數量增加，束與束之間的一致性、校準、資料分發、熱穩定性和機械穩定性、工作台同步以及電子束干擾都會變得更加困難，同時還必須同時維持CD均勻性、套刻、拼接、缺陷率和裝置正常執行階段間。這種擴展挑戰，正是Multibeam等公司必須面對的核心障礙，也正因為如此，在近期，多電子束架構在低產量製造（LVM）中的經濟邏輯，看起來要強於在HVM中的經濟邏輯。
07. 寫入陣列成為新的“鏡頭”
傳統掃描式光刻機擁有一套極其昂貴的光學鏈條——光罩、照明系統、投影光學系統、數十個精密元件、縮小投影光學系統——這些部件必須同時控制像差、畸變、波前、CD均勻性、套刻、焦距、偏振、雜散光、透射率以及熱穩定性。在EUV和High-NA時代，這成為整個工業界最困難的製造和工程挑戰之一。
數字無掩模光刻則將這種架構徹底反轉。它不再是數字資料→掩模→縮小投影光學系統→晶圓，而是數字資料→大規模平行寫入陣列→晶圓，其中寫入陣列本身實際上就成為了掩模。這樣可以消除或大幅減少光罩、光罩搬運、光罩檢測、保護膜、掩模寫入與修復、掩模記憶體、投影縮小光學系統，以及很大一部分照明光學系統，同時也減少這些系統帶來的像差問題。更根本的是，它將複雜性從宏觀精密光學系統轉移到採用半導體工藝製造的寫入陣列之中——這意味著，原則上，寫入陣列本身可以受益於它試圖顛覆的同一種半導體奈米製造技術進步。
這又可能形成一個屬於它自己的經濟飛輪：先進奈米製造技術生產出更好的寫入陣列；更好的寫入陣列實現更高程度的平行化；更高的平行度提高吞吐量；更高吞吐量使無掩模光刻在經濟上變得可行；而一套可行的無掩模系統又能夠消除昂貴的光學系統和掩模，從而降低系統成本，並進一步降低後續奈米製造的成本。
核心經濟問題並不只是能否製造出一個百萬束電子束陣列，而是半導體奈米製造能否把寫入陣列做得足夠便宜、足夠高密度，使其成為一個可消耗、可更換的部件，而不是一件極其昂貴的精密儀器。ASML非常清楚這些技術嘗試的存在，而且隨著這些技術逐漸成熟，它也有能力作出回應；ASML的優勢並不來自自滿，而在於它已經掌握了現有架構中那些固定存在的複雜性，而顛覆者並不需要重新複製這些複雜性。
因此，真正相關的競爭問題並不是解析度，而是整體系統經濟性——在可接受良率條件下的每片晶圓成本。一套資本成本低大約一個數量級、不需要掩模、擁有相近套刻能力並具備足夠吞吐量的無掩模系統，即使其原始寫入速度明顯低於光學掃描式光刻機，也可能具有顛覆性。對ASML更深層次的挑戰，並不是出現一台更好的掃描式光刻機，而是出現一種能夠徹底取消“掃描式光刻機+掩模”架構的方案。
08. 試驗場：低產量、高混合製造
最適合用於驗證一種新型無掩模架構的市場領域，並不是先進邏輯晶片。許多8英吋、6英吋、4英吋、3英吋、2英吋晶圓以及單件器件應用——包括化合物半導體、光子學、MEMS、感測器、射頻器件、功率器件、特種模擬器件、研究器件、原型器件以及異構整合——並不需要在2nm節點上與EUV掃描式光刻機競爭。對於這些客戶而言，真正相關的問題很簡單：一套新系統能否取代緩慢的單束電子束工藝，在不犧牲良率的情況下，將速度提高10倍、50倍甚至100倍。與在高產量製造（HVM）邏輯晶片市場取代ASML相比，這在商業上要容易得多。
這一市場領域同樣能夠接受一種不同的檢測模式。高產量晶圓廠會儘可能減少檢測，依賴針對數百萬顆相同裸片實施的統計過程控制。而高混合的特種晶圓廠，由於批次較小、設計頻繁變化，本來就更接近於對幾乎所有產品進行檢測——而且由於它們已經習慣於緩慢的電子束寫入，因此對一套新系統的性能要求並不是達到ASML等級的吞吐量，而是在保持良率的前提下，相比現有裝置實現顯著提速。
這就形成了一條天然的技術驗證路徑：單束電子束→10束/100束/1000束直寫→驗證重複性、套刻精度、CD控制、缺陷率和良率→客戶認證→生產部署→更高束密度→更大晶圓→更高吞吐量→最終進入HVM。每一步都會產生真實的生產資料，而這種資料的價值，要高於只在實驗室裡展示一個令人印象深刻的電子束數量。
在這一格局中，Multibeam和Resona代表了兩種不同的戰略押注。Multibeam正試圖證明，其現有的多柱/多束架構能夠成為一款面向利基應用的可靠生產工具。Resona則在推進一種根本不同的寫入陣列架構，從半導體製造側切入這一問題，據報導其顧問包括曾任ASML高級技術崗位的人員，並規劃了一條大約到2030年實現HVM可行性的路徑。兩家公司都不可能通過首先進攻ASML最強勢的市場取得成功；在能夠直接與ASML競爭之前，兩者都需要建立起支援300mm HVM客戶所必需的零部件、服務、工藝和應用生態——這也正是為什麼，從ASML目前幾乎沒有經濟動力參與的市場開始，是一種更具防禦性的戰略。與此同時，Lace和Substrate等公司所推進的基於掩模的替代路線，則面臨一個現實問題：考慮到無掩模路線可能會率先覆蓋相當大的市場空間，它們能否及時達到HVM水平，從而仍然具備實際意義。
對於一家目前依賴一台傳統電子束寫入機的小尺寸晶圓實驗室來說——其面臨資本成本高、吞吐量低、排隊時間長、操作人員成本高以及大量工藝認證工作——即使一套新系統只能實現一個數量級的適度改進，也足以讓它成為一個極具吸引力的首批客戶，因為這套系統並不需要解決一台300mm HVM裝置必須解決的所有問題。這使得後續擴展可以作為一個工程問題來推進，而不是一個可信度問題：概念驗證→可靠的低產量生產→更大的寫入陣列→更高的平行度→更高的吞吐量→更大晶圓→更高產量生產。ASML本身也並不是通過一次性解決所有可以想像得到的光刻問題而建立統治地位的；它是一代一代地通過生產系統建立起自身信譽。下一次光刻技術轉型，可能會沿著相同的路徑反向展開——從特種製造和低產量製造起步，再逐步向先進矽晶片推進——而它最初的十億美元級市場機會，可能並不是來自取代某一台EUV裝置，而是來自替代特種晶圓廠和研發機構中數以千計小時的緩慢單束電子束寫入。
09. 整合光子學：理想的試驗場
低產量製造並不意味著低精度。在整合光子學中，關鍵指標往往會從最小可列印間距，轉向邊緣放置誤差（EPE）、線邊粗糙度（LER）、尺寸控制，以及跨超大結構的拼接精度。一個100nm或300nm的波導，並不會僅僅因為它與2nm電晶體相距甚遠，就成為一個“簡單”的光刻問題：光子器件中奈米級的邊緣變化，可以直接轉化為波導散射損耗、相位誤差、耦合損耗、諧振偏移、偏振效應以及器件間差異。對於許多光子學應用而言，小於2nm的LER/EPE控制，比單純的解析度更加重要。
這正是直寫式無掩模光刻相對於傳統投影光刻具有結構性優勢的地方。一台光學掃描式光刻機工作在一個有限的曝光視場之內——光罩、縮小投影光學系統、曝光視場、步進、曝光視場、拼接——任何尺寸大於該視場的器件，都需要極其精確的視場間對準。相比之下，直寫架構可以進行連續移動：數字圖形→寫入陣列→工作台連續運動→任意尺寸的大型圖形，其限制主要來自工作台行程、校準能力以及寫入陣列尺寸。這對於長距離光波導、大型光子電路、光學相控陣、LiDAR、相干光學系統、矽光子、異構光子、大規模光子加速器、MEMS結構以及晶圓級光互連尤其有價值——對於這些結構而言，隨著圖形尺寸不斷擴大，傳統掃描式光刻機有限的曝光視場會變得越來越不自然。
數字圖形還消除了每次設計修改都重新製作一套掩模的需要，而在低產量、高混合、設計頻繁修改的光子學環境中，這一點意義極其重大。把這些因素結合起來——低產量、高混合生產，嚴格的EPE和LER要求，大尺寸結構，頻繁設計變更，以及接近100%的檢測——幾乎就構成了驗證一種新型數字無掩模架構的理想環境。最初的客戶並不需要說：“我要替換我的EUV掃描式光刻機”；他們只需要說：“我要在這一類光子器件上替換我的單束電子束寫入機。”一旦這件事能夠實現，這項技術就擁有了一條可信的路徑，可以逐步進入要求更高的應用領域。整合光子學甚至可能比傳統CMOS更適合作為無掩模光刻最初的試驗場，恰恰是因為它獎勵的是精度和良率，卻不要求具備2nm電晶體等級的圖形化能力。
10. 結論
ASML的統治地位並非註定如此，也並不純粹是技術的結果。它來自這樣一家公司：只有一個必須成功、否則就會失敗的市場，並且一次又一次選擇把下一代困難的光刻技術真正推進到一套能夠工作、能夠交付的系統——從157nm，到193nm浸沒式光刻，再到EUV——而與此同時，業務更加多元化的競爭對手則理性地選擇了後退。每一代技術都為下一代提供了資金，並進一步加深了生態系統優勢，而如今，要彌合這種生態差距，已經遠比追平任何單一技術指標更加困難。
下一次真正能夠挑戰這一地位的力量，不太可能來自一台更好的光學掃描式光刻機。它更有可能來自一種徹底取消掩模和掃描式光刻機的架構——一種數字控制、超大規模平行的寫入陣列，它競爭的核心並不是解析度，而是整個系統的經濟性。中國的跨越式發展戰略，以及Multibeam和Resona等公司，都代表了這一方向上的早期行動，而最有可能的切入點並不是先進邏輯晶片，而是那些低產量、高混合、對精度高度敏感的市場——化合物半導體、MEMS，尤其是整合光子學——在這些領域，ASML目前幾乎沒有經濟動力參與競爭。
如果一種寫入陣列架構能夠首先在這些市場中證明自己，並進一步實現規模化，那麼從投影光刻向數字奈米製造的轉變，最終對未來20年半導體產業的重要性，可能會與從157nm轉向193nm浸沒式光刻對過去20年產業發展的重要性一樣重大。 (半導體行業觀察)