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再次被爭(zhēng)搶的光刻機(jī),,不可復(fù)制的ASML

2022-07-07
來(lái)源:半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

今日彭博社報(bào)道,美國(guó)正在推動(dòng)荷蘭政府禁止ASML向中國(guó)大陸出售包括DUV光刻機(jī)在內(nèi)的設(shè)備,,試圖通過(guò)卡住芯片制造的“喉嚨”來(lái)擴(kuò)大其遏制中國(guó)大陸崛起的行動(dòng),。

目前ASML已經(jīng)無(wú)法向中國(guó)大陸出售其最先進(jìn)的極紫外(EUV)光刻系統(tǒng),,單臺(tái)售價(jià)高達(dá)1.6億歐元(1.64億美元),因?yàn)樗鼰o(wú)法獲得荷蘭政府的出口許可證,。

如果荷蘭同意,,這將大大擴(kuò)大現(xiàn)在禁止進(jìn)入中國(guó)大陸的芯片制造設(shè)備的范圍和類(lèi)別,這可能對(duì)從中芯國(guó)際到華虹半導(dǎo)體等中國(guó)大陸芯片制造商造成嚴(yán)重的沖擊,。

ASML CEO Peter Wennink今年早些時(shí)候曾表示,,不希望禁止向中國(guó)大陸客戶(hù)銷(xiāo)售DUV光刻設(shè)備。截止發(fā)稿,,ASML的美國(guó)存托憑證跌幅擴(kuò)大到了8.3%,,這是自2020年3月以來(lái)的最大盤(pán)中跌幅。

在半導(dǎo)體生產(chǎn)中,,光刻機(jī)是核心設(shè)備,,它不僅決定了芯片制造的工藝水平,而且是耗時(shí)最多、成本最高的一步,,目前先進(jìn)的7nm,、5nm及接下來(lái)的3nm、2nm都需要EUV光刻機(jī),,一臺(tái)這樣的光刻機(jī)售價(jià)將近10億人民幣,,但目前還是供不應(yīng)求。

目前,,荷蘭的ASML公司可以生產(chǎn)光刻機(jī),,他們的產(chǎn)能將決定全球先進(jìn)工藝擴(kuò)張的速度,所以代工龍頭臺(tái)積電,、三星半年以來(lái)也在因?yàn)闋?zhēng)搶最先進(jìn)光刻機(jī)打的不可開(kāi)交,。

不難看出,光刻機(jī)是如今半導(dǎo)體行業(yè)的命脈,,那這個(gè)命脈為什么被ASML所掌控,?

付出任何代價(jià)也要得到的光刻機(jī)

作為制造芯片最先進(jìn)的設(shè)備,光刻機(jī)的先進(jìn)程度直接決定了芯片的制程工藝,。ASML發(fā)言人稱(chēng),更高的光刻分辨率將允許芯片縮小170%,,同時(shí)密度增加2.9倍,。未來(lái)比3nm更先進(jìn)的工藝將極度依賴(lài)高NA EUV光刻機(jī)。

隨著芯片越來(lái)越精密,,更高數(shù)值的孔徑意味著更小的光線入射角度,,也意味著能夠用來(lái)制造尺寸更小、速度更快的芯片,。三星,、臺(tái)積電都希望通過(guò)獲得下一代EUV光刻機(jī),從而在未來(lái)2nm技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì),。

爭(zhēng)先恐后的巨頭

近日,,韓國(guó)三星電子副會(huì)長(zhǎng)李在镕又馬不停蹄奔赴歐洲,外媒報(bào)道,,三星電子副董事長(zhǎng)李在镕已結(jié)束與 ASML 公司的會(huì)談,,并就韓國(guó)三星引進(jìn)下一代高數(shù)值孔徑 High-NA EUV 光刻設(shè)備達(dá)成了協(xié)議。High-NA EUV 作為 ASML 公司的下一代光刻設(shè)備,,與 EUV光刻設(shè)備相比,,雕刻出的電路更為精細(xì)。而一臺(tái)High-NA EUV 光刻設(shè)備的價(jià)格估計(jì)為 5000 億韓元(約 25.85 億元人民幣),,是現(xiàn)有 EUV 光刻設(shè)備價(jià)格的兩倍,。盡管如此,三星也在試圖購(gòu)進(jìn)多至10臺(tái)機(jī)器,有韓國(guó)業(yè)內(nèi)人士表示:如果三星采購(gòu) 10 臺(tái) High-NA EUV 光刻設(shè)備,,將花費(fèi)超過(guò) 5 萬(wàn)億韓元(約 258.5 億元人民幣),,因此政府可能會(huì)下場(chǎng)支持。

三星這么做,,也是為了盡快追趕臺(tái)積電,。6月17日臺(tái)積電舉行的技術(shù)論壇上,作為晶圓代工龍頭的臺(tái)積電首次披露,,到2024年,,臺(tái)積電將擁有ASML最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外high-NA EUV光刻機(jī),用于生產(chǎn)納米片晶體管(GAAFET)架構(gòu)的2nm(N2)芯片,,預(yù)計(jì)在2025年量產(chǎn),。

盡管臺(tái)積電業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)資深副總經(jīng)理張曉強(qiáng)稱(chēng),臺(tái)積電2024年還不準(zhǔn)備運(yùn)用新的高數(shù)值孔徑EUV工具生產(chǎn),,引進(jìn)的光刻機(jī)將主要用于與合作伙伴的研究,,但臺(tái)積電此次成功引進(jìn)最先進(jìn)的光刻機(jī),無(wú)疑將進(jìn)一步鞏固自身在先進(jìn)制程研發(fā)方面的領(lǐng)先地位,。

老牌巨頭英特爾哪能落后,,甚至這次領(lǐng)先于臺(tái)積電和三星。英特爾CEO基辛格為了能追趕臺(tái)積電,、三星,,不止是投資入股ASML公司,還提早花高價(jià)訂購(gòu)EUV光刻機(jī)制造產(chǎn)能,。英特爾說(shuō)它將在 2025 年之前將這些機(jī)器投入生產(chǎn),,并且英特爾將是第一個(gè)收到該機(jī)器的公司。

光刻機(jī)市場(chǎng)獨(dú)占鰲頭

目前,,全球光刻機(jī)市場(chǎng)的集中度極高,,前三大廠商的市場(chǎng)份額占比達(dá)90%以上。從TOP3企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看,,2020年,,荷蘭ASML公司占比62%,出貨量達(dá)到258臺(tái),,力壓尼康和佳能,。

同時(shí),從銷(xiāo)售額來(lái)看,,由于當(dāng)前僅有荷蘭ASML公司銷(xiāo)售高端光刻機(jī)EUV(售價(jià)最高),,因此,ASML仍占據(jù)市場(chǎng)龍頭地位,,市場(chǎng)份額達(dá)91%,。

以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)成為光刻機(jī)霸主的ASML是怎么走到今天的呢,?

逆風(fēng)翻盤(pán)的行業(yè)霸主——ASML

光刻機(jī)的研發(fā)還起源于飛利浦研發(fā)主管Leo Tummers要求他手下的年輕工程師Frits Klostermann 制作一個(gè)芯片,當(dāng)時(shí)的飛利浦沒(méi)有做新品所需要的微光刻技術(shù),,所以Klostermann決定自己做一臺(tái)新機(jī)器來(lái)完成這個(gè)任務(wù),。對(duì)于處于20世紀(jì)五六十年代的他們的來(lái)說(shuō),制作“光刻機(jī)”還是一個(gè)所謂“輕松”的任務(wù),,四處逛逛,,任務(wù)是把一些晶體管、電阻,、二極管和電容器等的元件連接整合到一小塊晶圓上,,這就是我們之后說(shuō)的“芯片”。

與此同時(shí),,美國(guó)正在向新興領(lǐng)域注入重金,,其國(guó)防工業(yè)正在刺激其科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域同時(shí)將所有賭注都押在新技術(shù)上,芯片的的需求不斷增加也將芯片生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展速度推向了極致,。這也刺激了Klostermann當(dāng)時(shí)所在的飛利浦物理實(shí)驗(yàn)室(簡(jiǎn)稱(chēng)Natlab)大力發(fā)展半導(dǎo)體,。

Natlab的制造二極管和晶體管等半導(dǎo)體元件的技術(shù)都已成熟。Klostermann在探索集成電路的過(guò)程中得到了同事們的極大幫助,,當(dāng)Klostermann在公司購(gòu)入現(xiàn)成的光刻機(jī)后還堅(jiān)持自己開(kāi)發(fā)自己的機(jī)器時(shí),,老板和同事依舊非常支持。

1966年,,Klostermann獲批制造他研發(fā)出的光刻機(jī),。Klostermann也在這 臺(tái)光科技的基礎(chǔ)上和Natlab同事共同走上了不停地研發(fā)光刻機(jī)的道路。

盡管Klostermann的光刻機(jī)在飛利浦的芯片工廠中取得了成功,,但是Natlab很難為其光刻機(jī)找到客戶(hù),而且之后研發(fā)出的步進(jìn)光刻機(jī)也是十分昂貴并且復(fù)雜,,這些劣勢(shì)很難讓光刻機(jī)進(jìn)入工廠工作,。

飛利浦在光刻機(jī)上持否定意見(jiàn)。

從廢料堆中救出來(lái)的光刻機(jī)

救出步進(jìn)光刻機(jī)的這個(gè)人,,也是在1976年之后的幾十年里飛利浦的代表性人物——Wim Troost,,他是在飛利浦管理團(tuán)隊(duì)會(huì)議上唯一一個(gè)表示對(duì)光刻機(jī)有研究興趣的人。

創(chuàng)造奇跡的人就是不畏艱難,、不顧虧損,、堅(jiān)持光刻技術(shù)研發(fā)的人,Wim Troost一次又一次地?cái)[脫了技術(shù),、資金的困難,,在20世紀(jì)70年代末,他帶領(lǐng)的S&I有著7500萬(wàn)美元的收入和很高的利潤(rùn),,飛利浦說(shuō)“希望用光刻技術(shù)征服世界”,。

可悲的是,那個(gè)時(shí)候的世界,光刻機(jī)不受歡迎沒(méi)什么市場(chǎng),。而當(dāng)下的經(jīng)濟(jì)危機(jī)讓飛利浦不堪重負(fù),,決定拋棄非核心業(yè)務(wù),也就是光刻機(jī),。

1983年,,飛利浦在經(jīng)歷了和3家公司談判失敗后,所有人都士氣低落,。而ASM在納斯達(dá)克的成功上市,,令飛利浦看到ASM這家公司。在飛利浦高層再一次明確必須放棄像光刻機(jī)這樣的非核心業(yè)務(wù)后,,必須抓住最后一次機(jī)會(huì)來(lái)挽救光刻機(jī)團(tuán)隊(duì),,阻止裁員的發(fā)生。

1984年,,飛利浦和ASM成立合資企業(yè)ASML,。

經(jīng)濟(jì)危機(jī)打擊了當(dāng)時(shí)的巨頭,但奇跡般地給了ASML喘息的時(shí)間,,讓它有足夠的時(shí)間來(lái)重塑其研發(fā)和生產(chǎn)部門(mén),,因?yàn)楫?dāng)時(shí)剛剛起步的ASML,走錯(cuò)了油壓技術(shù)路線,、裝配廠也還根本無(wú)法生產(chǎn)真正的大訂單,。那時(shí)如果芯片設(shè)備市場(chǎng)特別好,而ASML卻賣(mài)不出光刻機(jī),,那么ASML會(huì)立刻失敗,。

逆風(fēng)后還是逆風(fēng)

“等你賣(mài)了20臺(tái)光刻機(jī)后,再回來(lái)找我談,?!?/p>

時(shí)任ASML CEO斯密特在加州一場(chǎng)世界一流的芯片設(shè)備展上備受打擊,他到處宣揚(yáng)飛利浦的光刻機(jī)項(xiàng)目起死回生了,,但得到的反饋寥寥無(wú)幾,。當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)巨頭是GCA和新崛起的日本尼康,裝機(jī)量是所有人關(guān)心的關(guān)鍵指標(biāo),,GCA和尼康已經(jīng)達(dá)到數(shù)百臺(tái),,而ASML還是零。

在加州的展會(huì)上,,每個(gè)人都在談?wù)撃柖?,談?wù)撓乱淮鷻C(jī)器——從大規(guī)模集成電路(LSI)到超大規(guī)模集成電路(VLSI)。

在未來(lái)幾年內(nèi),,芯片線路將縮小到1/1000毫米以下,,光刻機(jī)處理的將不再是4英寸的晶圓,,而是6英寸的晶圓。

隨著這個(gè)轉(zhuǎn)變,,超大規(guī)模集成電路需要新一代光刻機(jī),,這種機(jī)器要能夠?qū)?.7微米的細(xì)節(jié)成像到晶圓上,并實(shí)現(xiàn)更緊密的微電子集成,。然而還沒(méi)有人找到制造這種光刻機(jī)的方法,。這又給了ASML一個(gè)機(jī)會(huì)。

徹底革新

ASML面臨抉擇,,到底是逐步改善現(xiàn)有技術(shù),,還是投入新的技術(shù)開(kāi)發(fā)?ASML里程碑式的光刻機(jī)PAS 5500,,就是在這樣的抉擇中誕生的,。

如果選擇逐步改善,目前基礎(chǔ)上的技術(shù)路徑很可能最終無(wú)法滿足市場(chǎng)的新需求,;如果選擇是使用革命性的長(zhǎng)沖程,、短沖程發(fā)動(dòng)機(jī)尋求突破,但研發(fā)會(huì)有風(fēng)險(xiǎn),。

ASML PAS 5500的首席架構(gòu)師范登布林克沒(méi)有直接做出決定,,他決定在這兩條路上分別試驗(yàn)6-9個(gè)月,兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別在自己的技術(shù)路徑上賽馬,。最后,,技術(shù)競(jìng)賽證明舊H型晶圓臺(tái),有足夠的潛力定位8英寸的晶圓,,所以ASML選擇了這條保險(xiǎn)的路線,。長(zhǎng)短沖程發(fā)動(dòng)機(jī)被暫時(shí)雪藏,但也可作為更新?lián)Q代的備選方案,。

經(jīng)歷了多年的苦心經(jīng)營(yíng),,ASML在步進(jìn)掃描光刻機(jī)時(shí)代走到了巨頭行列,當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)形成了三家獨(dú)大的局面:ASML,、尼康、佳能,。其中ASML以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)成為光刻機(jī)領(lǐng)域龍頭,,市場(chǎng)占有率一度達(dá)到91%。

不可復(fù)制的成功

有人會(huì)問(wèn),,光刻機(jī)會(huì)盛極而衰嗎,?就像當(dāng)年日本產(chǎn)的磁帶錄像機(jī),系統(tǒng)之精密連美國(guó)人都難望其項(xiàng)背,,但半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的出現(xiàn)立馬判了磁帶錄像機(jī)的死刑,。如今的光刻機(jī)也到了技術(shù)臨界點(diǎn),,就像百米跑進(jìn)9秒5,想提高0.1秒都要付出極大的代價(jià),。一旦出現(xiàn)新的技術(shù),、工藝,ASML會(huì)首當(dāng)其沖被淘汰嗎,?

這可能就要談到ASML的理念了,,永遠(yuǎn)是與時(shí)俱進(jìn)的,在行業(yè)都崇尚“獨(dú)立完成所有”的時(shí)候,,它就選擇只進(jìn)行研發(fā)和組裝,,并不什么都由自己制造。這就讓ASML成為了一個(gè)集大成者,,也成為了全球化的受益者,。ASML 90%的零部件來(lái)自于外購(gòu),再由最理解客戶(hù)需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的ASML集成,。ASML的背后是美國(guó),、日本、歐洲,、中國(guó)臺(tái)灣,、韓國(guó)的技術(shù)支撐,最終才能量產(chǎn)出極度復(fù)雜的EUV光刻機(jī),。所以即使是有了新的技術(shù),,也是整個(gè)行業(yè)的興衰迭代,而且就像從飛利浦分裂出來(lái)一樣,,ASML有著極強(qiáng)的技術(shù)功底和適應(yīng)能力,,未來(lái)發(fā)展依舊可期。

回顧ASML的發(fā)展史,,我們會(huì)看到無(wú)數(shù)個(gè)絕境,,以及無(wú)數(shù)個(gè)絕境逢生,是很難,,但辦法總比困難多,,對(duì)所有半導(dǎo)體的研究來(lái)說(shuō)是如此。

對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)同樣如此,,中國(guó)對(duì)于光刻機(jī)的研究同樣需要解決無(wú)數(shù)問(wèn)題,。半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)資金的需求本來(lái)就大,光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也不是一場(chǎng)可以速戰(zhàn)速?zèng)Q的戰(zhàn)爭(zhēng),。摘下光刻機(jī)這個(gè)顆“明珠”,,我們勢(shì)在必行。




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