只有阿斯麥能夠供應(yīng)的EUV光刻機(jī)到底有多難造?

　　在制造芯片的過(guò)程中，光刻工藝無(wú)疑最關(guān)鍵、最復(fù)雜和占用時(shí)間比最大的步驟。光刻定義了晶體管的尺寸，是芯片生產(chǎn)中最核心的工藝，占晶圓制造耗時(shí)的40％到50％。光刻機(jī)在晶圓制造設(shè)備投資額中約占23％，再考慮到光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、光罩（光掩膜板）、涂膠顯影設(shè)備等諸多配套設(shè)施和材料投資，實(shí)則整個(gè)光刻工藝占到了芯片成本的三分之一左右。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光刻的原理是，在硅片上覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠，再用紫外光透過(guò)掩模照射在硅片上，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此后用特定顯影液洗去被照射/未被照射的光刻膠，就完成了把電路圖從掩模轉(zhuǎn)移到硅片上。一般的光刻工藝，要經(jīng)過(guò)氣相成底膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)與曝光、曝光后烘培、顯影、堅(jiān)膜烘培、顯影檢查等工序。

　　研發(fā)和制造光刻機(jī)，并非某個(gè)企業(yè)就能夠單獨(dú)完成。光刻作為晶圓制造過(guò)程中最復(fù)雜、最重要的步驟，主要體現(xiàn)在光刻產(chǎn)業(yè)鏈高度復(fù)雜，需要很多頂尖企業(yè)相互配合才可以完成。一是作為光刻核心設(shè)備的光刻機(jī)組件復(fù)雜，包括光源、鏡頭、激光器、工作臺(tái)等組件技術(shù)往往只被全球少數(shù)幾家公司掌握；二是作為與光刻機(jī)配套的光刻膠、光刻氣體、光罩等半導(dǎo)體材料和涂膠顯影設(shè)備等，同樣擁有不低的技術(shù)含量。

　　上個(gè)世紀(jì)50年代末，仙童半導(dǎo)體發(fā)明了掩膜版曝光刻蝕技米，由此拉開(kāi)了現(xiàn)代光刻機(jī)發(fā)展的序幕。在阿斯麥（ASML）成立以前，用于光刻機(jī)的光源還是以高壓汞燈為主，ArF、KrF等準(zhǔn)分子激光光源概念剛剛被人提出，光刻機(jī)工藝技術(shù)從接觸式，接近式發(fā)展到步進(jìn)投影式。而于1984年成立的阿斯麥公司，目前已是全球光刻機(jī)市場(chǎng)的霸主。在浸沒(méi)式DUV深紫外光刻機(jī)市場(chǎng)的占有率達(dá)97％，在EUV極紫外光刻機(jī)市場(chǎng)的占有率更是達(dá)到100％。根據(jù)阿斯麥的營(yíng)收規(guī)模，現(xiàn)在也已躋身全球前三大半導(dǎo)體設(shè)備廠商之一。

　　回顧阿斯麥在過(guò)去36年的發(fā)展歷程，面對(duì)美國(guó)、日本等商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，阿斯麥主要通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)逐步登上全球光刻機(jī)霸主的寶座，分別是浸沒(méi)式系統(tǒng)的應(yīng)用和EUV產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建。按這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，阿斯麥的發(fā)展歷程大致分三個(gè)階段：從1984年到20世紀(jì)末，阿斯麥憑借PAS5500系列在光刻領(lǐng)域占得一席之地；從2000年到2010年。阿斯麥憑借浸沒(méi)式光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)彎道超車，而且一舉擊潰尼康，自此成為全球頭號(hào)光刻機(jī)設(shè)備廠商；2010年以后，阿斯麥全力打通EUV光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，且成功推出EUV光刻機(jī)，在高端光刻市場(chǎng)占據(jù)絕對(duì)壟斷的地位。也可以說(shuō)，全球有且只有阿斯麥一家廠商，能夠向臺(tái)積電、三星電子和英特爾等下游客戶出貨EUV光刻機(jī)。

　　阿斯麥長(zhǎng)期致力于打通全球光刻產(chǎn)業(yè)鏈。是逐漸壟斷整個(gè)光刻市場(chǎng)的關(guān)鍵所在。由于阿斯麥在全球高端光刻市場(chǎng)居于統(tǒng)治地位，眾多配套材料和設(shè)備廠商紛紛追隨阿斯麥產(chǎn)品的技術(shù)工藝。配套光刻氣體方面，美國(guó)空氣化工產(chǎn)品、英國(guó)林德集團(tuán)均有相應(yīng)布局，日本合成橡膠、東京應(yīng)化、信越化學(xué)和富士膠片等日本企業(yè)，則統(tǒng)治了光刻膠市場(chǎng)，僅有美國(guó)杜邦公司有一定競(jìng)爭(zhēng)力。配套設(shè)備方面，光刻工序中的涂膠顯影設(shè)備主要被日本東京電子、DNS、德國(guó)蘇斯微，以及中國(guó)臺(tái)灣億力鑫占據(jù)。阿斯麥已經(jīng)為自己構(gòu)建了世界上最全面且最強(qiáng)大的光刻機(jī)供應(yīng)鏈體系。

　　摩爾定律的進(jìn)步伴隨著工藝與設(shè)備的雙重突破，而光刻設(shè)備又是作為推動(dòng)摩爾定律一路向前行的核心設(shè)備。迄今為止，光刻機(jī)先后歷經(jīng)了五代。伴隨著制程工藝的精度持續(xù)提升，光刻機(jī)的復(fù)雜程度隨之提高。當(dāng)前，全球最先進(jìn)的光刻機(jī)，便是阿斯麥生產(chǎn)制造的EUV光刻機(jī)。很多人好奇的是，只有阿斯麥能夠供應(yīng)的EUV光刻機(jī)到底有多難造呢？

　　對(duì)于EUV光刻機(jī)，有90％的關(guān)鍵設(shè)備來(lái)自國(guó)外而非荷蘭本國(guó)；阿斯麥作為整機(jī)廠商，只是負(fù)責(zé)光刻機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)和模塊集成，還需要全而精的上游產(chǎn)業(yè)鏈作為堅(jiān)實(shí)支撐。透視阿斯麥的5000多家供應(yīng)商，其中與產(chǎn)品相關(guān)的供應(yīng)商，即提供直接用于生產(chǎn)光刻系統(tǒng)的材料、設(shè)備、零部件和工具，此類別就包括了790家供應(yīng)商，占阿斯麥公司總開(kāi)支的65％左右。

　　EUV的波長(zhǎng)只有13.5納米，穿透物體時(shí)散射吸收強(qiáng)度較大，使得光刻機(jī)的光源功率要求極高。此外，機(jī)器內(nèi)部得是真空環(huán)境，避免空氣對(duì)EUV的吸收，透鏡和反射鏡系統(tǒng)也極致精密，配套的抗蝕劑和防護(hù)膜的良品率也需要更先進(jìn)的技術(shù)去提升。一臺(tái)EUV光刻機(jī)的重量高達(dá)180噸，內(nèi)部超過(guò)10萬(wàn)個(gè)零件，需要40個(gè)集裝箱運(yùn)輸，安裝調(diào)試也要超過(guò)一年的時(shí)間?？偠灾珽UV光刻機(jī)幾乎逼近物理學(xué)、材料學(xué)以及精密制造的極限。所以，EUV光刻機(jī)不僅是頂級(jí)科學(xué)的研究，也是頂級(jí)精密制造的學(xué)問(wèn)。

　　2010年，阿斯麥公司首次推出概念性EUV光刻系統(tǒng)NXE 3100，從而開(kāi)啟光刻系統(tǒng)的新時(shí)代。2013年，阿斯麥推出第二代EUV系統(tǒng)NXE 3300B，但是精度與效率不具備10納米以下制程的生產(chǎn)效益。2015年，阿斯麥又推出第三代EUV光刻系統(tǒng)NXE 3350。2016年，第一批面向生產(chǎn)制造的EUV系統(tǒng)NXE 3400B開(kāi)始批量發(fā)售，NXE 3400B的光學(xué)和機(jī)電系統(tǒng)在技術(shù)上均有所突破，極紫外光源的波長(zhǎng)縮短至13納米，每小時(shí)處理晶圓125片，或者每天可處理晶圓1500片，連續(xù)4周的平均生產(chǎn)良率可達(dá)80％，兼具高生產(chǎn)率和高精度。2019年，阿斯麥推出的NXE 3400C更是將產(chǎn)能提高到每小時(shí)處理晶圓175片。目前，阿斯麥在售的EUV光刻機(jī)包括NXE 3400B和NXE 3400C兩種機(jī)型。

　　EUV光刻機(jī)的成功，主要源于阿斯麥全面打通了光刻機(jī)上游產(chǎn)業(yè)鏈。在EUV光刻機(jī)超過(guò)10萬(wàn)個(gè)零件中，來(lái)自美國(guó)硅谷集團(tuán)的微激光系統(tǒng)、德國(guó)蔡司的鏡頭和西盟科技的EUV光源是最重要的三環(huán)。1997年，英特爾牽頭創(chuàng)辦了EUV LLC聯(lián)盟，隨后阿斯麥作為唯一的光刻機(jī)設(shè)備制造商加入該聯(lián)盟，彼此共享研究成果。2000年，阿斯麥?zhǔn)召?gòu)了美國(guó)光刻機(jī)巨頭硅谷集團(tuán)（SVGL）。2012年，阿斯麥?zhǔn)召?gòu)EUV光源提供商西盟科技（Cymer），此前，阿斯麥和西盟就合作已久。到了2016年，阿斯麥取得了光學(xué)鏡片龍頭廠商德國(guó)卡爾蔡司24.9％的股份，以加快推進(jìn)更大數(shù)值孔徑的EUV光學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)這些收購(gòu)，阿斯麥幾乎參與了整個(gè)EUV光刻上游產(chǎn)業(yè)鏈。但收購(gòu)美國(guó)企業(yè)的過(guò)程，使得阿斯麥必須同意在美國(guó)建立一所工廠和一個(gè)研發(fā)中心，以此滿足所有美國(guó)本土的產(chǎn)能需求。另外，阿斯麥還需要保證55％左右的零部件均從美國(guó)供應(yīng)商處采購(gòu)，并接受定期審查，這也為日后阿斯麥向中國(guó)公司出口光刻機(jī)受到美國(guó)管制埋下了伏筆。

　　由于上游廠商零部件供應(yīng)不足，比如德國(guó)卡爾蔡司的鏡頭，阿斯麥的EUV光刻機(jī)產(chǎn)量一直不高。然而，下游市場(chǎng)對(duì)7納米及以下制程工藝的需求卻又十分旺盛。2011年，臺(tái)積電、三星電子和英特爾共同收購(gòu)阿斯麥23％的股權(quán)，以幫助阿斯麥提升研發(fā)預(yù)算，同時(shí)也享受EUV光刻機(jī)的優(yōu)先供貨權(quán)。近年來(lái)，阿斯麥已經(jīng)出貨的EUV光刻機(jī)，主要優(yōu)先供應(yīng)給臺(tái)積電、三星電子和英特爾等有緊密合作關(guān)系的下游客戶廠商。目前所有中國(guó)企業(yè)中，只有中芯國(guó)際向阿斯麥訂購(gòu)了一臺(tái)EUV光刻機(jī)，原計(jì)劃于2019年交付，但直到現(xiàn)在，阿斯麥仍沒(méi)有向中芯國(guó)際交付。

　　自2010年第一臺(tái)EUV光刻機(jī)面世起，阿斯麥的EUV光刻機(jī)出貨量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其是2017年開(kāi)始大幅增加產(chǎn)能，到2019年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)年出貨量26臺(tái)。由于EUV光刻機(jī)有著十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，在市場(chǎng)上的售價(jià)也逐年上升，2019年，阿斯麥銷售的26臺(tái)EUV光刻機(jī)，占該年光刻機(jī)總銷售量的11.4％，銷售金額達(dá)30億歐元，占該年光刻機(jī)總銷售金額的33.6％。EUV光刻機(jī)的單價(jià)達(dá)到了驚人的1.15億歐元，約合1.3億美元，約合9.2億元人民幣，兩倍于浸沒(méi)式光刻機(jī)的售價(jià)。
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