114
本文共分六個(gè)部分：
一、序言
二、光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展及未來趨勢(shì)
三、光刻機(jī)“寡頭”市場
四、巨人 ASML 成長分析
1、發(fā)展歷程
2、上市、資金與并購、技術(shù)
3、不斷投入研發(fā)，適時(shí)更新產(chǎn)品
4、外包聯(lián)合開發(fā)，構(gòu)建以 ASML 為核心產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合體
5、主動(dòng)出擊，全力拓展新興市場，擴(kuò)大發(fā)展空間
五、國產(chǎn)光刻機(jī)的發(fā)展
1、歷史
2、現(xiàn)狀
3、重大突破
六、如何看我國半導(dǎo)體裝備業(yè)的發(fā)展
以下正文
一、引言
ASML 脫胎于飛利浦光刻設(shè)備研發(fā)小組。飛利浦從 1971 年開始，在此前開發(fā)的透鏡式顯影裝備基礎(chǔ)上，開發(fā)透鏡式非接觸光刻設(shè)備。雖然在 1973 年成功推出新型光刻設(shè)備，在整體性能研發(fā)方面取得一定成功，但由于成本高昂，且存在一系列技術(shù)問題，很難對(duì)外推廣。同時(shí)，其他設(shè)備商在解決接觸式光刻機(jī)的缺陷問題上用不同的技術(shù)路徑取得了突破。于是，飛利浦計(jì)劃要關(guān)停光刻設(shè)備研發(fā)小組。
這時(shí) ASMI 找上門來要求合作開發(fā)生產(chǎn)光刻機(jī)。ASMI 是什么來頭呢？這里有必要介紹一下。ASMI（Advanced Semiconductor MaterialsInternational）是由 Arthur del Prado 在 1964 年創(chuàng)辦，初時(shí)是一家半導(dǎo)體設(shè)備代理商。Arthur del Prado 非常富有戰(zhàn)略眼光且專注半導(dǎo)體，很快在半導(dǎo)體業(yè)界風(fēng)生水起，并于 1971 年公司開始轉(zhuǎn)型進(jìn)入封裝設(shè)備生產(chǎn)，慢慢擴(kuò)大到前道設(shè)備，1976 年公司的 PECVD 進(jìn)入市場，奠定 ASMI 作為原始設(shè)備生產(chǎn)商的地位。1981 年公司成功上市。
ASMI 興沖沖而來，沒想到熱臉貼冷屁股。飛利浦已經(jīng)心灰意冷了，但耐不住的 Arthur del Prado 的軟磨硬泡，于是同意與 Advanced Semiconductor Materials B.V. 合作，在 1984 年 4 月成立 Advanced Semiconductor Material Lithography Holding N.V.。
ASML 當(dāng)時(shí)面臨三大問題，一個(gè)是技術(shù)落后，飛利浦公司先前研發(fā)的技術(shù)在漫長的等待中已經(jīng)過時(shí)，遠(yuǎn)不能滿足客戶要求；二是市場已經(jīng)飽和，競爭非常激烈，強(qiáng)手如林，日本的 Nikon、Canon、Hitachi，美國的 GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin-Elmer、Eaton，民主德國的 Zeiss 等相繼推出了自己的光刻機(jī)產(chǎn)品；三是資金嚴(yán)重匱乏。
據(jù)說當(dāng)時(shí)員工都對(duì) ASML 的未來沒有信心。現(xiàn)在 ASML 公司官方網(wǎng)站里的“Our History”里，都用了“inauspiciously”這個(gè)詞描寫當(dāng)時(shí)的情況。
是什么原因讓 ASML 殺出重圍，并成長為光刻機(jī)領(lǐng)域的絕對(duì)龍頭，全球市占率達(dá)到近 70%，壟斷高端 EUV 光刻機(jī)市場。
觀其成長之路，可謂一段產(chǎn)業(yè)傳奇。成立之初，由于技術(shù)落后和資金不足，加上產(chǎn)業(yè)周期性衰退，幾乎陷入破產(chǎn)境界；1995 年上市，充裕的資金讓公司發(fā)展提速；2000 年推出 TWINSCAN 雙工件臺(tái)光刻機(jī)，一舉奠定霸主地位；進(jìn)入 EUV 時(shí)代，得到大客戶支持，更是一騎絕塵?？梢哉f ASML 的龍頭之路既與產(chǎn)業(yè)大環(huán)境密切相關(guān)，也是其自身重視研發(fā)，對(duì)研究創(chuàng)新始終采取開放態(tài)度的必然結(jié)果。
二、光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展及未來趨勢(shì)
在說 ASML 的故事前，還是先說說光刻機(jī)的發(fā)展情況。
光刻機(jī)是集成電路制造中最精密復(fù)雜、難度最高、價(jià)格最昂貴的設(shè)備，用于在芯片制造過程中的掩膜圖形到硅襯底圖形之間的轉(zhuǎn)移。（上刻出晶體管器件的結(jié)構(gòu)和晶體管之間的連接通路。）
集成電路在制作過程中經(jīng)歷材料制備、掩膜、光刻、刻蝕、清洗、摻雜、機(jī)械研磨等多個(gè)工序，其中以光刻工序最為關(guān)鍵，因?yàn)樗钦麄€(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)制造工藝先進(jìn)程度的重要指標(biāo)。
光刻機(jī)的發(fā)展經(jīng)過了一個(gè)漫長的過程，1960 年代的接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)，到 1970 年代的投影式光刻機(jī)，1980 年代的步進(jìn)式光刻機(jī)，到步進(jìn)式掃描光刻機(jī)，到浸入式光刻機(jī)和現(xiàn)在的 EUV 光刻機(jī)，設(shè)備性能不斷提高，推動(dòng)集成電路按照摩爾定律往前發(fā)展。
曝光光源方面，從 1960 年代初到 1980 年代中期，汞燈已用于光刻，其光譜線分別為 436nm（g 線）、405nm（h 線）和 365nm（i 線 ）。然而，隨著半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)更高分辨率（集成度更高和速度更快的芯片）和更高產(chǎn)量（更低成本）的需求，基于汞燈光源的光刻工具已不再能夠滿足半導(dǎo)體業(yè)界的高端要求。
1982 年，IBM 的 Kanti Jain 開創(chuàng)性的提出了“excimer laser lithography（準(zhǔn)分子激光光刻）”，并進(jìn)行了演示，現(xiàn)在準(zhǔn)分子激光光刻機(jī)器（步進(jìn)和掃描儀）在全球集成電路生產(chǎn)中得到廣泛使用。在過去的 30 年中，準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)一直是摩爾定律持續(xù)推進(jìn)的關(guān)鍵因素。使得芯片制造中的最小特征尺寸從 1990 年的 500nm 推進(jìn)至 2016 年 10nm，臺(tái)積電和三星都宣稱 2018 年要量產(chǎn) 7nm 產(chǎn)品。
光刻系統(tǒng)中常用的 DUV 準(zhǔn)分子激光器是 248nm 波長的 KrF 和 193nm 波長的 ArF。1980 年代準(zhǔn)分子激光光源的主要制造商是 Lambda Physik（后并入 Coherent, Inc.）和 Lumonics。自 1990 年代中期以來，Cymer 公司（原 ASML 合作伙伴，2013 年并入 ASML）和 Gigaphoton Inc.（尼康光刻機(jī)的光源合作伙伴）已成為光刻設(shè)備制造商的準(zhǔn)分子激光光源的主要供應(yīng)商。
使用 193nm ArF 光源的干法光刻，其工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá) 45/40nm，進(jìn)一步采用浸液式光刻、配合比較激進(jìn)的可制造性設(shè)計(jì)（DfM）等技術(shù)后，可達(dá) 28nm；而要進(jìn)到更高端制程時(shí)，就必須采用輔助的多重曝光（Multiple Patterning，MP）。然而使用多重曝光會(huì)帶來兩大問題：一是光刻加掩膜的成本上升，而且影響良率，多一次工藝步驟就是多一次良率的降低；二是工藝的循環(huán)周期延長，多重曝光不但增加曝光次數(shù)，而且增加刻蝕（ETCH）和機(jī)械研磨（CMP）工藝次數(shù)，也就是把光刻的步驟分了點(diǎn)給 ETCH 和 CMP。對(duì)于使用浸液式光刻+多重圖形曝光的 193nm ArF 光刻機(jī)可以將工藝縮小到 10nm。
而 EUV 作為下一代技術(shù)的代表，不需要多重曝光，一次就能曝出想要的精細(xì)圖形，沒有超純水和晶圓接觸，在產(chǎn)品生產(chǎn)周期、OPC 的復(fù)雜程度、工藝控制、良率等方面的優(yōu)勢(shì)明顯。但是也需要繼續(xù)優(yōu)化。特別是 EUV 的曝光方式，降低 EUV 掩膜版的缺陷，以及晶圓產(chǎn)率方面還有很大發(fā)大空間。目前市場有多款 EUV 機(jī)型并開始出貨，劍指 7nm、5nm。
雖然 EUV 光刻機(jī)已經(jīng)開始出貨，但由于其成本昂貴且交期長，一般的公司可能暫時(shí)用不上甚至也買不到機(jī)臺(tái)，所以現(xiàn)在光刻機(jī)市場主要以 193nm ArF 光刻機(jī)為主。
如果工藝制程繼續(xù)延伸到 1nm 或以下，如果 EUV 單次曝光已經(jīng)無法滿足今后工藝要求的話，會(huì)不會(huì)出現(xiàn) EUV+多重曝光呢？
電子束直寫技術(shù)還有可能重出江湖嗎？雖然它曝光一片晶圓的時(shí)間有點(diǎn)恐怖。
目前光刻技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為縮短曝光光源波長、提高數(shù)值孔徑（NA）和改進(jìn)曝光方式。但不管技術(shù)如何發(fā)展，產(chǎn)率肯定是要考量的。
三、光刻機(jī)“寡頭”市場
隨著時(shí)間的推移，工藝技術(shù)的進(jìn)步，Hitachi、GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin-Elmer、Eaton、Zeiss 等，有的已經(jīng)退出光刻機(jī)市場，有的被收購，有的轉(zhuǎn)戰(zhàn)先進(jìn)封裝用光刻機(jī)市場。
目前全球半導(dǎo)體前道用光刻機(jī)的生產(chǎn)廠商有 4 家，分別是 ASML、Nikon、Canon 和上海微電子（SMEE），其中尤其以 ASML 為佳，一家獨(dú)占 7 成的市場。
2017 年全球晶圓制造用光刻機(jī)臺(tái)出貨不足 300 臺(tái)，其中 ASML 共就出貨 198 臺(tái)，占全球近 7 成的市場。其中 EUV 光刻機(jī) 11 臺(tái)，ArFi 光刻機(jī) 76 臺(tái)，ArF 光刻機(jī) 14 臺(tái)，KrF 光刻機(jī) 71 臺(tái)，i-line 光刻機(jī) 26 臺(tái)。2017 年單臺(tái) EUV 機(jī)臺(tái)平均售價(jià)超過 1 億歐元，2018 年一季度的售價(jià)更是接近 1.2 億歐元，而且是有價(jià)無貨。
2017 年 Nikon 出貨 26 臺(tái)光刻機(jī)，占有率不足 10%，其中 ArFi 光刻機(jī) 6 臺(tái)，ArF 光刻機(jī) 8 臺(tái)，KrF 光刻機(jī) 2 臺(tái)，i-line 光刻機(jī) 10 臺(tái)。（筆者注：從 1980 年代，Nikon 就開始進(jìn)入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，在近 40 年的光刻機(jī)研究與開發(fā)中，已向世界各國或地區(qū)銷售了各種光刻機(jī)超過 9000 多臺(tái)，曾創(chuàng)下年銷量 900 臺(tái)的紀(jì)錄，不過自 2008 年和 2009 年丟失中國臺(tái)灣、韓國市場，公司開始一蹶不振，出貨量急速下滑。）
2017 年 Canon 出貨 70 臺(tái)，占比 24%，且集中在低端產(chǎn)品，其中 KrF 光刻機(jī) 20 臺(tái)，i-line 光刻機(jī) 50 臺(tái)。（筆者注：從 1970 年代，Canon 公司就涉足半導(dǎo)體制造設(shè)備領(lǐng)域, 憑借世界領(lǐng)先的光學(xué)及精密機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)，從研制 2：1 縮小投影和接觸接近式光刻設(shè)備起步，先后向世界市場投放了 PLA 系列步進(jìn)式、MPA 系列等倍掃描式、投影式和 FPA 系列步進(jìn)縮小投影式、掃描式三大系列的光學(xué)光刻設(shè)備約 10000 臺(tái)，由于公司在技術(shù)上的決策失誤，從 2008 年逐步退出半導(dǎo)體用光刻機(jī)市場。）
從上圖可以看出，2011 年開始，ASML 按銷售金額（不含服務(wù)費(fèi)入）計(jì)算，就一直占有全球 6 成以上的市場。而 Nikon 盡管在機(jī)臺(tái)出貨數(shù)量上不如 Canon，但是由于 Canon 的出貨機(jī)臺(tái)都是低端的光刻機(jī)臺(tái)，所以 Nikon 的年度銷售收入相比 Canon 要高。
2017 年全球光刻機(jī)總出貨 294 臺(tái)，ASML 出貨 198 臺(tái)，占有 68%的市場份額。EUV 光刻機(jī)方面，ASML 占有率 100%。在 ArFi 機(jī)臺(tái)方面，全球銷售 82 臺(tái)，ASML 以 76 臺(tái)，占有率超過 92%。ArF 機(jī)臺(tái)方面，全球銷售 22 臺(tái)，ASML 占比 64%。也就是說，在高端光刻機(jī)方面，ASML 占有 88%的市場。
2011-2017 年全球光刻機(jī)總出貨 1920 臺(tái)，ASML 出貨 1209 臺(tái)，占有 63%的市場份額。EUV 光刻機(jī)方面，ASML 占有率 100%。在 ArFi 機(jī)臺(tái)方面，全球銷售 612 臺(tái)，ASML 以 539 臺(tái)，占有率超過 88%。ArF 機(jī)臺(tái)方面，全球銷售 95 臺(tái)，ASML 占比 52%。也就是說，在高端光刻機(jī)方面，ASML 占有 84%的市場。
目前全球知名廠商都是 ASML 的客戶，英特爾、三星、臺(tái)積電都在全力支持 ASML 在 EUV 光刻機(jī)方面的研發(fā)。Nikon 在 EUV 機(jī)臺(tái)方面只在 2008 年第 4 季出貨一臺(tái)，再也沒有任何消息。而 Canon 從 2010 年開始就完全退出了 ArF 領(lǐng)域，只保有低端機(jī)出貨，轉(zhuǎn)而發(fā)力 OLED 光刻機(jī)市場。
四、巨人 ASML 成長記分析
1、發(fā)展歷程
1984 年飛利浦與 ASMI 合資成立 Advanced Semiconductor Material Lithography Holding N.V.（先進(jìn)半導(dǎo)體材料光刻控股有限公司）；
1984 年推出首款產(chǎn)品：PAS2000，采用油壓驅(qū)動(dòng)，技術(shù)落后同行；
1986 年推出首臺(tái)步進(jìn)式設(shè)備 PAS2500/10，并和鏡頭制造商 Carl Zeiss 建立密切合作關(guān)系；
1989 年推出 PAS5000 系統(tǒng)；
1991 年推出 PAS5500 系統(tǒng)，這是公司的重大技術(shù)突破；
1999 年 6 月收購 MicroUnity Systems Engineering Inc. 業(yè)務(wù)部門 MaskTools，使得公司在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)方面可以提供最完整的解決方案，改善了公司光刻機(jī)的掃描和成像能力，顯著增加了聚集深度，擴(kuò)大了光刻窗口，提高了芯片產(chǎn)量；
2000 年 8 月首臺(tái) TWINSCAN 系統(tǒng)光刻機(jī)出貨，以獲得最大生產(chǎn)力；
2000 年 12 月獲得日本首個(gè)訂單：PAS 5500/750E DUV 和 PAS 5500/400C i-line；
2001 年 5 月完成對(duì) Silicon Valley Group, Inc.（SVG）的收購，獲得了投影掩罩瞄準(zhǔn)技術(shù)、掃描技術(shù)，極大的提升了公司產(chǎn)品的技術(shù)，并在美國擁有了研發(fā)生產(chǎn)基地；
2001 年 6 月由 ASM Lithography Holding N.V. 更名為 ASML Holding N.V. ；
2007 年 3 月 8 日完成收購光刻解決方案提供商 Brion Technologies，Brion 的計(jì)算光刻技術(shù)（設(shè)計(jì)驗(yàn)證，分辨率增強(qiáng)技術(shù) RET 以及光學(xué)鄰近效應(yīng)修正 OPC）能使半導(dǎo)體制造商得以對(duì)制作出的集成電路圖形進(jìn)行仿真，并可更正掩模圖形，從而優(yōu)化制造工藝，提高成品率；
2007 年推出首臺(tái)浸液式設(shè)備 TWINSCAN XT:1900i；
2010 年推出首臺(tái) EUV 設(shè)備 TWINSCAN NXE:3100 系統(tǒng)，與之前的光刻機(jī)相比，能夠使用更短波長的光，使得客戶可以制造更小規(guī)格的產(chǎn)品，在同一塊芯片上集成更多的晶體管；
2012 年公司提出“客戶聯(lián)合投資專案”（Customer Co-Investment Program），獲得英特爾、臺(tái)積電、三星的響應(yīng)，以 23%的股權(quán)共籌得 53 億歐元資金；
2013 年 5 月 30 日完成對(duì)光源提供商 Cymer 的收購，為公司量產(chǎn) EUV 設(shè)備起決定性作用；
2016 年 11 月 5 日收購 Carl Zeiss SMT 的 24.9%股權(quán)，以強(qiáng)化雙方在半導(dǎo)體微影技術(shù)方面的合作，發(fā)展下一代 EUV 微影系統(tǒng)。
2016 年 11 月 22 日完成對(duì)漢微科 Hermes Microvision 收購，以強(qiáng)化對(duì)半導(dǎo)體制造商的高科技服務(wù)；
2017 年 TWINSCAN NXE:3400B 機(jī)臺(tái)正式出貨，產(chǎn)率為 125wph 300mm 晶圓。
下面筆者就已公司發(fā)展歷程來進(jìn)行解讀，說說 ASML 這個(gè)光刻機(jī)巨人是如何煉成的。
2、上市、資金與并購、技術(shù)
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)屬于資金密集型、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，光刻機(jī)作為推動(dòng)摩爾定律最關(guān)鍵的設(shè)備，研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)更需要龐大的資金投入。ASML 成立之初也面臨著技術(shù)落后和資金短缺的問題。有消息稱，1992 年在遭遇半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)周期性衰退時(shí)，公司資金鏈斷裂，幾乎破產(chǎn)會(huì)閉。幸虧股東飛利浦及時(shí)出手相救，加上公司的輕資產(chǎn)戰(zhàn)略，才涉險(xiǎn)過關(guān)。
為了解決資金問題，1995 年 3 月，公司在阿姆斯特丹和美國納斯達(dá)克（NASDAQ）交易所同時(shí)上市，充裕的資金一方面增強(qiáng)了公司研發(fā)能力，同時(shí)也讓公司可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)并購，以完善公司的技術(shù)，促進(jìn)光刻技術(shù)的發(fā)展。
1999 年 6 月收購 MicroUnity Systems Engineering Inc. 旗下業(yè)務(wù)部門 MaskTools，使得公司在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)方面可以提供最完整的解決方案，改善了公司光刻機(jī)的掃描和成像能力，顯著增加了聚集深度，擴(kuò)大了光刻窗口，提高了芯片產(chǎn)量；2001 年 5 月完成收購 Silicon Valley Group, Inc.（SVG），掌握了投影掩罩瞄準(zhǔn)技術(shù)、掃描技術(shù)，極大的提升了公司產(chǎn)品的技術(shù)，并在美國擁有了研發(fā)生產(chǎn)基地；2007 年 3 月完成收購光刻解決方案提供商 Brion Technologies，掌握了計(jì)算光刻技術(shù)（包括分辨率增強(qiáng)技術(shù) RET 以及光學(xué)鄰近效應(yīng)修正 OPC），計(jì)算光刻技術(shù)能使半導(dǎo)體制造商得以對(duì)制作出的集成電路圖形進(jìn)行仿真，并可更正掩模圖形，從而優(yōu)化制造工藝，提高成品率，涉足的領(lǐng)域包括設(shè)計(jì)驗(yàn)證；2013 年 5 月 30 日完成對(duì)光學(xué)技術(shù)提供商 Cymer 的收購，為公司量產(chǎn) EUV 設(shè)備提供決定性信用；2016 年 11 月 5 日收購 Carl Zeiss SMT 的 24.9%股權(quán)，以強(qiáng)化雙方在半導(dǎo)體微影技術(shù)方面的合作，為發(fā)展下一代 EUV 系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)；2016 年 11 月 22 日完成收購中國臺(tái)灣漢微科 Hermes Microvision Inc. (HMI)，以強(qiáng)化將公司的全方位微影技術(shù)解決方案（包括微影曝光系統(tǒng)、運(yùn)算微影及量測）。
3、不斷投入研發(fā)，適時(shí)更新產(chǎn)品
光刻機(jī)是技術(shù)含量極高的設(shè)備，廠商每年需要投入巨額的資金用于研發(fā)。ASML 極其重視研發(fā)，并對(duì)研發(fā)創(chuàng)新始終保持開放態(tài)度。公司每年的研發(fā)投入都在營業(yè)收入的 15%左右。 如此大的研發(fā)投入，也讓公司能適時(shí)推出滿足市場需求的新品。
ASML 的光刻機(jī)產(chǎn)品線分為 PAS 系列和采用 TWINSCAN 系統(tǒng)的 AT 系列、XT 系列、NXT 系列和 NXE 系列。其中 PAS 系列光源多為高壓汞燈光源，PAS 2000 和 PAS5000 系列現(xiàn)已停產(chǎn)，PAS5500 系列還在為產(chǎn)業(yè)發(fā)揮作用；TWINSCAN AT 系列屬于老型號(hào)，已經(jīng)停產(chǎn)。市場上主力機(jī)種是 XT 系列以及 NXT 系列，為 ArF 和 KrF 激光光源，XT 系列是成熟的機(jī)型，分為干式和浸液式兩種，而 NXT 系列則是現(xiàn)在主推的高端機(jī)型，全部為浸液式。NXE 系列 EUV 機(jī)臺(tái)主要針對(duì) 10 納米以下的制程節(jié)點(diǎn)。
圖片來源：ASML 官網(wǎng)
公司成立當(dāng)年，推出了公司第一款產(chǎn)品 PAS 2000 型光刻機(jī)，采用油壓驅(qū)動(dòng)，技術(shù)落后同行。隨后靠著飛利浦原有的技術(shù)積累和合作伙伴 Carl Zeiss 等的支持，1987 年推出步進(jìn)式設(shè)備 PAS 2500/40，該型光刻機(jī)可與當(dāng)時(shí)同類最佳機(jī)臺(tái)媲美；1989 年推出 PAS 5000 系統(tǒng)；1991 年推出 PAS 5500 系統(tǒng)。
2000 年 8 月出貨首臺(tái) TWINSCAN AT:700S，這是公司的重大技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了雙平臺(tái)工作，可同時(shí)處理兩張 12 寸晶圓，生產(chǎn)效率倍增。
2000 年以前的光刻設(shè)備，只有一個(gè)工件臺(tái)，晶圓片的對(duì)準(zhǔn)與刻蝕流程都在上面完成。公司在 2000 年推出的 TWINSCAN 雙工件臺(tái)系統(tǒng)，是光刻機(jī)行業(yè)的一大進(jìn)步。雙工件臺(tái)的出現(xiàn)，使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當(dāng)一個(gè)工件臺(tái)進(jìn)行晶圓曝光的同時(shí)，另外一個(gè)工件臺(tái)進(jìn)行曝光之前的預(yù)對(duì)準(zhǔn)工作，并在第一時(shí)間得到結(jié)果反饋，生產(chǎn)效率提高大約 35%。雙工件臺(tái)系統(tǒng)雖然僅是加一個(gè)工件臺(tái)，但技術(shù)難度卻不容小覷，對(duì)工件臺(tái)轉(zhuǎn)移速度和精度有非常高的要求。如果工件臺(tái)轉(zhuǎn)換速度慢，則影響工作效率；如果工件臺(tái)轉(zhuǎn)換精度不夠，則會(huì)影響后續(xù)的掃描光刻的正常開展。ASML 的 TWINSCAN 導(dǎo)軌式雙工作臺(tái)系統(tǒng)采用其獨(dú)家的磁懸浮驅(qū)動(dòng)，使得系統(tǒng)能克服摩擦系數(shù)和阻尼系數(shù)，其加工速度和精度遠(yuǎn)超機(jī)械式和氣浮式工作臺(tái)。今天，ASML 更是開發(fā)出了無導(dǎo)軌式的平面編碼磁懸浮工作臺(tái)系統(tǒng)，通過平面編碼進(jìn)行精確定位，從而進(jìn)一步提高了工作臺(tái)轉(zhuǎn)換精度。
2004 年推出首臺(tái)浸液式設(shè)備 TWINSCAN XT:1250i，2007 年推出首臺(tái)商用浸液式設(shè)備 TWINSCAN XT:1900i，加速工藝往前推進(jìn)。
在 EUV 方面：2010 年推出首臺(tái) EUV 設(shè)備 TWINSCAN NXE:3100 系統(tǒng)，與之前的光刻機(jī)相比，能夠使用更短波長的光，使得客戶可以制造更小規(guī)格的產(chǎn)品，在同一塊芯片上集成更多的晶體管。2013 年推出 TWINSCAN NXE:3300B 光刻機(jī)，在 13.5 納米波長理進(jìn)行光刻，同軸照明解析度提升至 22 納米，采用離軸照明解析度提升可達(dá) 18 納米，產(chǎn)率為 55wph；2015 年推出的 TWINSCAN NXE:3350B 產(chǎn)率已經(jīng)來到 80wph；到 2017 年推出 TWINSCAN NXE:3400B 光刻機(jī)，解析度提升至 13 納米，產(chǎn)率高達(dá) 125wph。為了發(fā)展下一代 EUV 微影系統(tǒng)，ASML 不惜投入巨資，2016 年 11 月以 10 億美元收購 Carl Zeiss SMT 的 24.9%股權(quán)，此外還將投入巨額研發(fā)資金，首先一次性投入是 2.44 億美元，之后 6 年將投入 6 億美元，這次合作預(yù)計(jì)投入將近 20 億美元，雙方合作的成果就是將推出數(shù)值孔徑（NA）不低于 0.5 的 EUV 光刻系統(tǒng)，到時(shí)產(chǎn)率可望達(dá) 185wph。
4、外包聯(lián)合開發(fā)，構(gòu)建以 ASML 為核心產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合體
作為集成電路制造中最精密復(fù)雜、難度最高、價(jià)格最昂貴的設(shè)備，光刻機(jī)所需零部件多達(dá)數(shù)萬個(gè)，對(duì)誤差和穩(wěn)定性的要求極高，如此多的零部件和核心技術(shù)，如果由一家公司壟斷難以相信。
ASML 從成立開始就沒有做垂直整合，而是實(shí)行輕資產(chǎn)策略。在把控核心技術(shù)（光刻曝光技術(shù)）的同時(shí)，依靠全球產(chǎn)業(yè)鏈分工合作的方式，采取模塊化外包協(xié)同聯(lián)合開發(fā)策略。該策略使 ASML 得以集世界光刻頂級(jí)技術(shù)之大成。如光學(xué)鏡頭部件由德國 Carl Zeiss 生產(chǎn)，光源由美國的 Cymer（現(xiàn) ASML 子公司）提供，計(jì)量設(shè)備則由美國的 Keysight（Agilent/Hewlett-Packard）制造，傳送帶則來自荷蘭 VDL 集團(tuán)。正是有了如此多的各細(xì)分領(lǐng)域中的頂尖供應(yīng)商的協(xié)同創(chuàng)新，公司可以把主要的研發(fā)力量集中在確定客戶需求和系統(tǒng)整合上，從而迅速占領(lǐng)了世界光刻機(jī)的制高點(diǎn)。
零部件模塊化外包策略在降低了 ASML 的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和資金成本的同時(shí)，也構(gòu)建了以 ASML 為核心的產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合體。ASML 的研究團(tuán)隊(duì)與供應(yīng)商及全球頂尖的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)建立廣泛的合作，采用開放式創(chuàng)新模式，大家在利己最擅長的尖端技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，分享專利成果和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，合作伙伴也可以將這些技術(shù)用于其他領(lǐng)域。并且鼓勵(lì)供應(yīng)商在制造過程中提出改進(jìn)意見，具有極高的效率和靈活性。
2012 年 7 月 9 日，公司宣布一個(gè)“Customer Co-Investment Program”，該計(jì)劃允許其大客戶對(duì) ASML 進(jìn)行少數(shù)股權(quán)投資，并承諾為 ASML 未來計(jì)劃的研發(fā)支出作出承諾。該計(jì)劃在 2012 年 10 月完成，英特爾、臺(tái)積電、三星總計(jì)以 38 億歐元的代價(jià)取得 23%的股份，并另外出資 13.8 億歐元支持 ASML 未來五年的 EUV 技術(shù)研發(fā)，助其快速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，以及獲得 EUV 設(shè)備的優(yōu)先購買權(quán)。也許是由于美國、韓國、中國臺(tái)灣三地工程師的天馬行空的想法，EUVV 光刻機(jī)得以快速成熟起來。
5、主動(dòng)出擊，全力拓展新興市場，擴(kuò)大發(fā)展空間
成立之初，ASML 的客戶主要是飛利浦。
由于 ASMI 創(chuàng)辦人 Arthur del Prado 的緣故，他認(rèn)為半導(dǎo)體的主戰(zhàn)場就在美國，所以 ASML 在成立后的第二年就在位于美國亞利桑那州的 TEMPE 設(shè)立據(jù)點(diǎn)，以把握全球最新的半導(dǎo)體技術(shù)動(dòng)態(tài)，1986 年產(chǎn)品正式進(jìn)入美國市場，到 1999 年美國占其營收的 35%。
1987 年由于飛利浦在中國臺(tái)灣合資成立臺(tái)積電，ASML 立即跟隨在中國臺(tái)灣新竹設(shè)立辦事處，1999 年中國臺(tái)灣占其營收的 24%。
1989 年在韓國設(shè)立辦事處，1990 年產(chǎn)品正式進(jìn)入，由于三星、現(xiàn)代和 LG 紛紛進(jìn)入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，韓國市場迅速爆發(fā)，從 1995 年到 1998 年就出貨多達(dá) 100 臺(tái)，1999 年韓國為其貢獻(xiàn)營收高達(dá) 3 億歐元，占其總營收的 27%。
1999 年初，ASML 在香港設(shè)立地區(qū)總部，統(tǒng)管亞太業(yè)務(wù)；2000 年依靠代理商 Nissei Sangyo 首次進(jìn)入日本市場，包括針對(duì) 130 納米的 PAS 5500 / 750E（KrF 248nm）和針對(duì) 280 納米的 PAS 5500 / 400C（業(yè)界首款 i-line）。
在中國大陸，從 1988 年清華大學(xué)向 ASML 訂購了首臺(tái) PAS 5000 光刻機(jī)起，到 2004 年已經(jīng)向中國發(fā)貨達(dá)到 100 臺(tái)。
1998 年公司開始活躍于俄羅斯市場，2001 年設(shè)備正式進(jìn)入俄羅斯，目前以 PAS 5500 系列為主。
由于 ASML 對(duì)半導(dǎo)體新興市場的主動(dòng)出擊，公司獲得了極大的發(fā)展。1999 年公司營收首次突破 10 億歐元，達(dá)到 12 億歐元；而 2000 年時(shí)營收更是突破 20 億歐元大關(guān)，達(dá)到 27 億歐元；2017 年全球營收超過 90 億元，其中光刻機(jī)營收約 64 億美元。
五、國產(chǎn)光刻機(jī)的發(fā)展
1、歷史
我國光刻機(jī)設(shè)備的研制起步也不晚。從 1970 年代開始就先后有清華大學(xué)精密儀器系、中科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中電科 45 所投入研制。
清華大學(xué)精密儀器系是我國歷史最悠久的工程學(xué)科院系之一，建有“精密測試技術(shù)與儀器”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。1970 年代，研制開發(fā)了分步重復(fù)自動(dòng)照相機(jī)、圖形發(fā)生器、光刻機(jī)、電子束曝光機(jī)工件臺(tái)等半導(dǎo)體設(shè)備，其中“分步相機(jī)”應(yīng)用于全國 100 多個(gè)廠家，受到好評(píng)。
中科學(xué)院光電技術(shù)研究所是中國光刻設(shè)備的最早研制機(jī)構(gòu)之一，在 1980 年研制出首臺(tái)光刻機(jī)，分辨率 3μm，屬于接觸 / 接近式；1991 年研制出分辨率 1um 同步輻射 X- 射線光刻機(jī)；1993 年研制出 g 線 1.5um 的分布重復(fù)投影光刻機(jī)，產(chǎn)率達(dá) 32wph；1997 年自主研發(fā)完全“0.8-1um 分步重復(fù)投影光刻機(jī)”。
中電科 45 所也是我國最早從事光刻機(jī)研發(fā)的骨干單位之一。當(dāng) 1978 年世界上第一臺(tái)量產(chǎn)型 g 線分步投影光刻機(jī)在美國問世后，45 所就投入了分步投影光刻機(jī)的研制工作，1985 年研制我國同類型第一臺(tái) g 線 1.5um 分步投影光刻機(jī)，在 1994 年推出分辨率達(dá) 0.8um 的分步投影光刻機(jī)，2000 年推出分辨率達(dá) 0.5um 實(shí)用分步投影光刻機(jī)。
2、現(xiàn)狀
。2002 年國家在上海組建上海微電子裝備有限公司承擔(dān)“十五”光刻機(jī)攻關(guān)項(xiàng)目時(shí)，中電科 45 所將從事分步投影光刻機(jī)研發(fā)任務(wù)的團(tuán)隊(duì)整體遷至上海參與其中。目前，我國從事集成電路前道制造用光刻機(jī)的生產(chǎn)廠商只有上海微電子（SMEE）和中國電科（CETC）旗下的電科裝備
上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司(SMEE)是國內(nèi)技術(shù)最領(lǐng)先的光刻機(jī)研制生產(chǎn)單位，目前已量產(chǎn)的光刻機(jī)有三款（見下表），其中性能最好的是 90nm 光刻機(jī)。2016 年國內(nèi)首臺(tái)前道 i 線掃描光刻機(jī)交付用戶。2017 年 4 月公司承擔(dān)的國家 02 重大科技專項(xiàng)任務(wù)“浸沒光刻機(jī)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目”通過了國家正式驗(yàn)收；10 月公司承擔(dān)的 02 重大科技專項(xiàng)“90nm 光刻機(jī)樣機(jī)研制”任務(wù)通過了 02 專項(xiàng)實(shí)施管理辦公室組織的專家組現(xiàn)場測試。
電科裝備光刻機(jī)是依托原來中電科 45 所的技術(shù)，45 所從“六五”開始一直從事光刻機(jī)的研制開發(fā)工作，先后完成我國“六五”、“八五”、“九五”期間的 1.5 微米、0.8 微米、0.5 微米光刻機(jī)的研制任務(wù)。2002 年分步投影光刻機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)遷至上海后，目前公司主要研制生產(chǎn)用于 100mm/150mm 中小規(guī)模集成電路、二極管、三極管、電力電子器件、MEMS 和其它半導(dǎo)體器件制造工藝的單 / 雙面接觸接近式光刻機(jī)產(chǎn)品。
3、重大突破
曝光系統(tǒng)方面：2017 年 6 月 21 日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所牽頭研發(fā)的“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)”通過驗(yàn)收。長春光機(jī)所自 1990 年代起專注于 EUV/X 射線成像技術(shù)研究，著重開展了 EUV 光源、超光滑拋光技術(shù)、EUV 多層膜及相關(guān) EUV 成像技術(shù)研究，形成了極紫外光學(xué)的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)。2002 年，研制國內(nèi)第一套 EUV 光刻原理裝置，實(shí)現(xiàn)了 EUV 光刻的原理性貫通。2008 年 02 專項(xiàng)將 EUV 光刻技術(shù)列為“32-22nm 裝備技術(shù)前瞻性研究”重要攻關(guān)任務(wù)。以長春光機(jī)所牽頭的項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)八年的潛心鉆研，突破了制約我國極紫外光刻發(fā)展的超高精度非球面加工與檢測、極紫外多層膜、投影物鏡系統(tǒng)集成測試等核心單元技術(shù)，成功研制了波像差優(yōu)于 0.75nm RMS 的兩鏡 EUV 光刻物鏡系統(tǒng)，構(gòu)建了 EUV 光刻曝光裝置，國內(nèi)首次獲得 EUV 投影光刻 32nm 線寬的光刻膠曝光圖形，建立了較為完善的曝光光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)平臺(tái)。
雙工件臺(tái)系統(tǒng)：北京華卓精科科技股份有限公司（834733）是我國光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)的研發(fā)單位，2015 年 1 月，“45nm 浸沒式光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)”通過了詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審；2015 年 4 月，“65nmArF 干式光刻機(jī)雙工件臺(tái)”通過整機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審，具備投產(chǎn)條件。目前，65nm 光刻機(jī)雙工件臺(tái)已獲得多臺(tái)訂單。接下來公司要完成 28nm 及以下節(jié)點(diǎn)浸沒式光刻機(jī)雙工件臺(tái)產(chǎn)品化開發(fā)并具備小批量供貨能力，為國產(chǎn)浸沒光刻機(jī)產(chǎn)品化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。作為世界上第二家掌握雙工件臺(tái)核心技術(shù)的公司，華卓精科成功打破了 ASML 公司在工件臺(tái)上的技術(shù)壟斷。
中科院光電所研制出來的 SP 光刻機(jī)是世界上第一臺(tái)單次成像達(dá)到 22 納米的光刻機(jī)，結(jié)合多重曝光技術(shù)，可以用于制備 10 納米工藝。SP 光刻機(jī)利用表面等離子體超衍射光學(xué)光刻的原理，能刻出相當(dāng)于光源波長十分之一甚至二十分之一分辨率的產(chǎn)品。
曝光系統(tǒng)和雙工件臺(tái)系統(tǒng)的成功，為我國高端光刻機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)提供了奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。SP 光刻機(jī)的研發(fā)成功，給我國光刻機(jī)裝備的追趕帶來了曙光。
六、如何看我國半導(dǎo)體裝備業(yè)的發(fā)展
02 重大專項(xiàng)以培育真正可用產(chǎn)品、做大做強(qiáng)企業(yè)為目標(biāo)，實(shí)施的“下游考核上游，整機(jī)考核部件，應(yīng)用考核技術(shù)，市場考核產(chǎn)品”考核制，保證了科研成果的實(shí)用性，成就了一大批經(jīng)得起市場檢驗(yàn)的高端產(chǎn)品。電科裝備的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備（CMP）、上海微電子的光刻機(jī)、北方華創(chuàng)的刻蝕機(jī)和 CVD、盛美的清洗設(shè)備、中微的刻蝕機(jī)等都是非常有競爭力的，很多產(chǎn)品已經(jīng)走出國門，或者與國外裝備同步驗(yàn)證。
客觀地講，這些都是最近幾年中國半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)的亮點(diǎn)。當(dāng)然這些成績也只是國產(chǎn)裝備的初步發(fā)展，要真正做到國產(chǎn)高端裝備全面進(jìn)入市場還有很長的路要走。
首先，裝備與工藝的結(jié)合問題，一直是制約國產(chǎn)裝備進(jìn)入大生產(chǎn)線的主要瓶頸之一。國際半導(dǎo)體裝備廠商，特別是關(guān)鍵的、與工藝密切相關(guān)的前道設(shè)備廠商在工藝研發(fā)上投入巨大，一般都建有相應(yīng)的工藝研發(fā)生產(chǎn)線。而目前國內(nèi)半導(dǎo)體裝備廠商還沒有建立自己的工藝研發(fā)生產(chǎn)線。工藝固化到裝備中，我們還有不小的距離。
第二，堅(jiān)持自主研發(fā)，從零部件入手，掌控核心技術(shù)。國家重大專項(xiàng)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備與工藝的重視，對(duì)國產(chǎn)裝備業(yè)來說是莫大的發(fā)展機(jī)會(huì)。我國不僅要支持關(guān)鍵裝備的研發(fā)生產(chǎn)，也要支持相關(guān)重要零部件廠商。
第三，協(xié)同創(chuàng)新，成果共享。目前半導(dǎo)體裝備越來越復(fù)雜，一家公司獨(dú)自承擔(dān)所有零部件的開發(fā)確實(shí)不易。我們應(yīng)該利用整個(gè)國家、甚至于全球的資源來共同完成。
正如 02 重大專項(xiàng)技術(shù)總師葉甜春所說，發(fā)展裝備業(yè)，要采取產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、金融鏈有效協(xié)同的新模式，專項(xiàng)與重點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃協(xié)同布局，主動(dòng)引導(dǎo)地方和社會(huì)的產(chǎn)業(yè)投資跟進(jìn)支持，有效推動(dòng)專項(xiàng)成果產(chǎn)業(yè)化，扶植企業(yè)做大做強(qiáng)，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，提高整體產(chǎn)業(yè)實(shí)力。
衷心希望有更多的社會(huì)資本能投入中國半導(dǎo)體裝備業(yè)中。半導(dǎo)體裝備的國產(chǎn)化遠(yuǎn)比芯片國產(chǎn)化有意義！
閱讀全文
