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作者：暢秋
當(dāng)下，光刻機(jī)在半導(dǎo)體行業(yè)的地位前所未有的重要，而且已經(jīng)突破了技術(shù)和產(chǎn)業(yè)范疇，引發(fā)了新一波光刻機(jī)之爭(zhēng)。
從歷史發(fā)展情況來(lái)看，光刻機(jī)（這里主要指用于制造集成電路前道工序的光刻機(jī)）的發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)歷了很多波折，總體來(lái)看，有兩個(gè)值得關(guān)注的時(shí)期，一個(gè)是ASML依靠浸沒(méi)式技術(shù)，異軍突起，并將原本的行業(yè)兩強(qiáng)甩在身后，這是技術(shù)之戰(zhàn)，另一個(gè)是EUV商用化之后，先進(jìn)制程（從16nm開(kāi)始）爭(zhēng)奪戰(zhàn)打響，臺(tái)積電、三星電子和英特爾這三家為了爭(zhēng)奪產(chǎn)量有限的EUV而展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，這是商業(yè)之爭(zhēng)。
從目前的情況來(lái)看，第三波光刻機(jī)之爭(zhēng)正在醞釀之中，它比前兩波更復(fù)雜，更激烈。
?01第一波：逆襲
1957年，美國(guó)陸軍一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的Jay Lathrop（拉斯洛普）和James Nall（納爾）獲得了光刻技術(shù)的專利，該技術(shù)用于沉積薄膜金屬條，以在陶瓷基板上連接分立晶體管。1959年，拉斯洛普加入了德州儀器（Texas Instruments），納爾去了飛兆半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）。Jay Last（杰伊·拉斯特）和Robert Noyce（羅伯特·諾伊斯）于1958年在飛兆半導(dǎo)體公司制造了第一批“步進(jìn)重復(fù)”相機(jī)，使用光刻技術(shù)在單個(gè)晶圓上制造出了許多晶體管。這就是光刻機(jī)的雛形。
20世紀(jì)80年代，在全球光刻機(jī)領(lǐng)域，行業(yè)老大是美國(guó)的GCA公司，不過(guò)，由于急于向客戶交付設(shè)備，沒(méi)有對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查，導(dǎo)致數(shù)百臺(tái)帶有故障鏡頭的產(chǎn)品流向市場(chǎng)。幾乎在同一時(shí)期，日本的尼康改進(jìn)了光刻機(jī)的聚焦系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出了具有較大數(shù)值孔徑的g線目鏡，這種組合使系統(tǒng)能夠更清晰地將微小圖案成像到光刻膠上。這一創(chuàng)新使尼康很快占領(lǐng)了市場(chǎng)，客戶們紛紛拋棄了GCA的光刻機(jī)，GCA很快就衰敗了。
同時(shí)期，佳能也推出了市場(chǎng)認(rèn)可的產(chǎn)品，與尼康成為當(dāng)時(shí)光刻機(jī)世界的兩強(qiáng)。
與此同時(shí)，憑借在步進(jìn)掃描光刻機(jī)上的成功，ASML也逐步趕了上來(lái)，特別是其標(biāo)志性的產(chǎn)品PAS 5500，深受市場(chǎng)好評(píng)。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。
然而，那時(shí)的ASML，行業(yè)地位并沒(méi)有現(xiàn)在這么凸出，略遜尼康、佳能一籌。
ASML稱霸光刻機(jī)行業(yè)，源于193nm到157nm制程的升級(jí)過(guò)程。那之前，步進(jìn)掃描光刻機(jī)采用的都是干式法（曝光介質(zhì)是空氣）技術(shù)路線，通過(guò)用更高級(jí)的曝光光源，來(lái)支撐技術(shù)進(jìn)步。為了追求更高的分辨率，光源波長(zhǎng)從最初的365nm，到248nm，再到193nm，之后，這條技術(shù)路線就很難走下去了。
當(dāng)時(shí)，業(yè)內(nèi)面臨技術(shù)改良和顛覆兩種選擇，兩大巨頭尼康和佳能選擇在原有技術(shù)路徑上改良，而ASML選擇賭一把，因?yàn)槌霈F(xiàn)了一種新的浸沒(méi)式技術(shù)。
浸沒(méi)式技術(shù)是由時(shí)任臺(tái)積電科學(xué)家的林本堅(jiān)提出的，他創(chuàng)造性地用水作為曝光介質(zhì)，還是用原來(lái)的193nm波長(zhǎng)光源，但通過(guò)水的折射，可使進(jìn)入光阻的波長(zhǎng)縮小到134nm。193 nm光源在空氣中的折射率為1，在水中的折射率為1.4，這意味著相同光源條件下，浸沒(méi)式光刻機(jī)的分辨率可以提高1.4倍。
不過(guò)，這種技術(shù)在當(dāng)時(shí)看起來(lái)過(guò)于大膽，技術(shù)難度很大，且成本高，多數(shù)傳統(tǒng)光刻技術(shù)既得利益者不愿意接受它。為了推廣浸沒(méi)式技術(shù)，林本堅(jiān)跑遍美國(guó)、日本、德國(guó)、荷蘭，向光刻機(jī)廠商推銷其創(chuàng)意，但碰了一鼻子灰。多數(shù)行業(yè)巨頭對(duì)林本堅(jiān)都持不友好的態(tài)度，尼康甚至向臺(tái)積電施壓，要求“封殺”他。
在這種情況下，林本堅(jiān)把最后的希望寄托在了ASML身上，而后者并沒(méi)有辜負(fù)他，在技術(shù)和行業(yè)發(fā)展到岔路口時(shí)，ASML選擇了顛覆式的創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)果是賭贏了。
2003年，ASML和臺(tái)積電合作研發(fā)的首臺(tái)浸沒(méi)式光刻設(shè)備——TWINSCAN XT:1150i問(wèn)世，第二年又推出了改進(jìn)版。同年，研發(fā)進(jìn)度緩慢的尼康，終于推出了157nm的干式光刻機(jī)產(chǎn)品樣機(jī)。
一個(gè)是用原來(lái)193nm光源通過(guò)水進(jìn)化到132nm波長(zhǎng)的新技術(shù)，另一個(gè)是157nm波長(zhǎng)的樣機(jī)，浸沒(méi)式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，這一技術(shù)成為此后65nm、32nm、16nm和7nm制程產(chǎn)線的主流光刻方案，直到現(xiàn)在的3nm。
選擇大于努力，ASML選對(duì)了，尼康和佳能選錯(cuò)了。市場(chǎng)很快擁抱了浸沒(méi)式光刻機(jī)，傳統(tǒng)的干式法產(chǎn)品只能停放在倉(cāng)庫(kù)里吃灰，這使得尼康和佳能上百億美元的研發(fā)費(fèi)用打了水漂，市占率也大幅下滑。在2000年之前的15年里，ASML是光刻機(jī)第一梯隊(duì)里最小的玩家，市占率不足10%，隨著浸沒(méi)式光刻機(jī)的商用化，到2008年，ASML的市占率達(dá)到了60%，一枝獨(dú)秀。
技術(shù)驅(qū)動(dòng)的第一波光刻機(jī)之爭(zhēng)結(jié)束，ASML大勝。
?02第二波：爭(zhēng)奪
16nm和14nm制程芯片量產(chǎn)以后，無(wú)論是DUV，還是EUV，ASML的中高端光刻機(jī)一直是市場(chǎng)上的香餑餑，臺(tái)積電、三星電子、英特爾，以及中國(guó)大陸的幾大晶圓廠，每年都在爭(zhēng)奪那數(shù)量有限的光刻機(jī)。
近些年，隨著7nm、5nm和3nm制程的量產(chǎn)，臺(tái)積電、三星電子和英特爾對(duì)EUV設(shè)備的爭(zhēng)奪越來(lái)越激烈。
據(jù)悉，臺(tái)積電擁有約60臺(tái)EUV光刻機(jī)，超過(guò)市場(chǎng)上已出貨EUV設(shè)備總量的50%。隨著2nm研發(fā)和晶圓廠建設(shè)工作的開(kāi)展，臺(tái)積電對(duì)高NA（數(shù)值孔徑）的EUV設(shè)備提出了更高要求，早早下單，爭(zhēng)取在ASML那里拔得頭籌。
三星也在搶購(gòu)高NA EUV，并要求ASML將設(shè)備直接拉到三星工廠內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，創(chuàng)下ASML直接出貨到客戶廠內(nèi)再測(cè)試的首例。目前，三星的EUV光刻機(jī)數(shù)量只有臺(tái)積電的60%左右，甚至更少，2022年，三星購(gòu)買了約18臺(tái)EUV設(shè)備。
2021年，英特爾宣布重返晶圓代工市場(chǎng)，并在同年7月宣布推出先進(jìn)制程技術(shù)藍(lán)圖，計(jì)劃在未來(lái)4年推出5個(gè)新世代芯片制程技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，英特爾也在爭(zhēng)奪ASML最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，2021下半年，英特爾宣布領(lǐng)先于臺(tái)積電和三星訂購(gòu)了ASML的TWINSCAN EXE:5200，這是ASML正在開(kāi)發(fā)的NA達(dá)0.55的EUV設(shè)備，單臺(tái)價(jià)格達(dá)到3億美元，據(jù)悉，其吞吐量超每小時(shí)220片晶圓。按照ASML的規(guī)劃，TWINSCAN EXE:5200最快將于2024年底投入使用，用于驗(yàn)證，2025年開(kāi)始用于芯片量產(chǎn)。
為了滿足不斷進(jìn)化的先進(jìn)制程，ASML正在研發(fā)更先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，主要體現(xiàn)在高NA上。
高NA的EUV設(shè)備具有更高的分辨率，可使芯片密度增加數(shù)倍，還可以減少缺陷、成本和芯片生產(chǎn)周期。新的EUV設(shè)備，其NA值將從0.33 提升到0.55，以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的圖案化。和0.33NA光刻機(jī)相比，0.55NA的分辨率從13nm升級(jí)到8nm，可以更快更好地曝光更復(fù)雜的集成電路圖案，突破0.33NA單次構(gòu)圖32nm~30nm間距的極限。
雖然2023年半導(dǎo)體市場(chǎng)低迷，但包括臺(tái)積電、英特爾、三星、SK海力士、美光在內(nèi)的全球芯片大廠依然在積極投資EUV設(shè)備。臺(tái)積電和三星將會(huì)在2024年擴(kuò)大3nm產(chǎn)能，英特爾將在今年底量產(chǎn)首款采用EUV技術(shù)的Intel 4制程芯片。
ASML表示，就目前主流的0.33NA而言，2021年，晶圓代工廠的5nm制程，每片晶圓平均光罩約10層，但隨著2023年3nm的量產(chǎn)，每片晶圓平均光罩達(dá)到20層。
DRAM方面，目前采用EUV技術(shù)可實(shí)現(xiàn)5層光罩量產(chǎn)，但2024年將提升至8層光罩，部分制程將會(huì)采用多重曝光（multi-patterning），每片晶圓的光罩將達(dá)到10層。據(jù)ASML統(tǒng)計(jì)，隨著晶圓代工廠和DRAM廠擴(kuò)大EUV資本支出，至2023年第一季度，該公司已出貨136臺(tái)EUV光刻機(jī)。
本周，ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink表示，今年有望推出業(yè)界首款數(shù)值孔徑達(dá)到0.55的EUV設(shè)備TWINSCAN EXE：5000，不過(guò)，該設(shè)備主要用于研究開(kāi)發(fā)，使該公司的客戶熟悉新技術(shù)及其功能。如前文所述，每臺(tái)這樣的設(shè)備成本超過(guò)3億美元。
今年，ASML將向一位未公開(kāi)的客戶發(fā)送其TWINSCAN EXE：5000設(shè)備，該客戶很可能是英特爾，因?yàn)樵摴驹?jīng)宣布，計(jì)劃從2025年開(kāi)始采用高數(shù)值孔徑TWINSCAN EXE設(shè)備進(jìn)行大批量生產(chǎn)（HVM），屆時(shí)，該公司打算開(kāi)始使用其18A（~1.8nm）制程技術(shù)。為此，英特爾自 2018 年以來(lái)一直在嘗試使用高數(shù)值孔徑光刻設(shè)備，當(dāng)時(shí)，它就預(yù)定了TWINSCAN EXE：5000，還訂購(gòu)了商用版本的TWINSCAN EXE：5200。
與英特爾相比，臺(tái)積電和三星將會(huì)稍晚使用NA達(dá)到0.55的EUV設(shè)備，但不會(huì)晚于2030年。
就2023年而言，Susquehanna International Group 高級(jí)分析師Mehdi Hosseini表示，由于需要采用EUV設(shè)備進(jìn)行多重曝光，基于成本考慮，在具有更高吞吐量的新款NXE：3800E上市之前，臺(tái)積電3nm制程無(wú)法真正放量生產(chǎn)。目前，臺(tái)積電使用的是NXE：3600D，每小時(shí)可生產(chǎn)160個(gè)晶圓（wph）。
ASML將于今年底推出新款高NA的NXE：3800E，通過(guò)降低EUV多重曝光的總成本，NXE：3800E每小時(shí)可生產(chǎn)195片晶圓，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間優(yōu)化后，能提升到每小時(shí)220片，吞吐量比NXE：3600D提高30%。
?03第三波：雄起
在美國(guó)推出禁止向中國(guó)大陸出售中高端DUV和EUV設(shè)備的法令后，第三波光刻機(jī)之爭(zhēng)悄然到來(lái)，這其中包括限制與反限制，以及新一波的光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)和自研潮。
目前，中國(guó)大陸晶圓廠已經(jīng)無(wú)法購(gòu)買專門用于生產(chǎn)14nm以下先進(jìn)制程芯片的光刻機(jī)，如果采用較舊版本的DUV設(shè)備生產(chǎn)14nm、7nm芯片，則需要多重曝光，成本會(huì)大幅上漲，且良率難以提升。
荷蘭最新半導(dǎo)體設(shè)備出口管制措施于9月1日生效，進(jìn)一步限制了用于成熟制程的DUV設(shè)備出口到中國(guó)大陸，有些涉及38nm-45nm制程。
本周，ASML表示，該公司已向荷蘭政府提出TWINSCAN NXT：2000i及后續(xù)推出的浸沒(méi)式光刻機(jī)的出口許可證申請(qǐng)，荷蘭政府已經(jīng)頒發(fā)了截至9月1日所需的許可證，允許ASML在今年底前繼續(xù)向中國(guó)客戶出貨TWINSCAN NXT：2000i及后續(xù)推出的設(shè)備。然而，該公司預(yù)估在2024年1月之后不能再獲得相關(guān)出口許可證了。
9月4日，ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink在一檔電視節(jié)目中表達(dá)了他對(duì)該公司面臨的出口管制和保護(hù)主義的看法。
Peter Wennink強(qiáng)調(diào)，通過(guò)出口管制完全孤立中國(guó)大陸并不是一個(gè)可行的做法。華為Mate 60 Pro中的芯片實(shí)現(xiàn)突破就間接說(shuō)明了這一點(diǎn)，這些限制實(shí)際上正在推動(dòng)中國(guó)大陸加倍努力創(chuàng)新。他表示，如果歐洲和美國(guó)不愿意分享技術(shù)，中國(guó)大陸就會(huì)自己研究，他們正在考慮西方企業(yè)尚未考慮過(guò)的解決方案。西方政府的限制性政策正在激發(fā)中國(guó)大陸的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力。
Peter Wennink警告，中國(guó)大陸將設(shè)計(jì)出新技術(shù)和產(chǎn)品，這可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)影響全球的競(jìng)賽。華爾街日?qǐng)?bào)曾經(jīng)報(bào)道過(guò)，美國(guó)在2022年10月升級(jí)芯片限售令時(shí)，中國(guó)大陸企業(yè)只進(jìn)口了24億美元的半導(dǎo)體設(shè)備，創(chuàng)下美國(guó)推出禁令兩年多以來(lái)的最低數(shù)據(jù)。
這意味著，中國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備正在努力擺脫對(duì)進(jìn)口的依賴，自主化進(jìn)程正在提速。
下載ECAD模型
