光刻機(jī)之爭(zhēng)掀起第三波浪潮

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，總體來看，有兩個(gè)值得關(guān)注的時(shí)期，一個(gè)是 ASML 依靠浸沒式技術(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 而展開競(jìng)爭(zhēng)，這是商業(yè)之爭(zhēng)。

從目前的情況來看，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。

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，由于急于向客戶交付設(shè)備，沒有對(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，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，通過用更高級(jí)的曝光光源，來支撐技術(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)了一種新的浸沒式技術(shù)。

浸沒式技術(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)，還是用原來的 193nm 波長(zhǎng)光源，但通過水的折射，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，浸沒式光刻機(jī)的分辨率可以提高 1.4 倍。

不過，這種技術(shù)在當(dāng)時(shí)看起來過于大膽，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)浸沒式光刻設(shè)備——TWINSCAN XT:1150i 問世，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 193nm 光源通過水進(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)很快擁抱了浸沒式光刻機(jī)，傳統(tǒng)的干式法產(chǎn)品只能停放在倉庫里吃灰，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。

第二波：爭(zhēng)奪

16nm 和 14nm 制程芯片量產(chǎn)以后，無論是 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)奪越來越激烈。

據(jù)悉，臺(tái)積電擁有約 60 臺(tái) EUV 光刻機(jī)，超過市場(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 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)積電和三星訂購了 ASML 的 TWINSCAN EXE:5200，這是 ASML 正在開發(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，該設(shè)備主要用于研究開發(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 3 億美元。

今年，ASML 將向一位未公開的客戶發(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)，該公司打算開始使用其 18A（~1.8nm）制程技術(shù)。為此，英特爾自 2018 年以來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%。

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，這其中包括限制與反限制，以及新一波的光刻技術(shù)開發(fā)和自研潮。

目前，中國(guó)大陸晶圓廠已經(jīng)無法購買專門用于生產(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，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。