ASML逆襲史：人、資金、技術(shù)，缺一不可

前言

近年來，由于眾所周知的原因，荷蘭ASML（阿斯麥）公司的先進(jìn)半導(dǎo)體制造設(shè)備——光刻機(jī)，進(jìn)入普通大眾視野，成為人們茶余飯后談?wù)摰慕裹c(diǎn)話題之一。

1月底，“美日荷三方談判達(dá)成協(xié)議，可能進(jìn)一步限制先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備出口”的消息，又一次將光刻機(jī)置于輿論中心。

根據(jù)外媒消息，若這一協(xié)議生效，ASML的部分DUV和EUV（極紫外光刻系統(tǒng)）光刻機(jī)將可能向中國斷供，國內(nèi)14nm及以下制程芯片的產(chǎn)線建設(shè)與擴(kuò)產(chǎn)，都將因此陷入停擺境地。

盡管目前ASML方面表示，該協(xié)議不影響其2023年的供貨，但是業(yè)界仍然不免擔(dān)心，一旦EUV光刻機(jī)斷供中國，我們將如何應(yīng)對(duì)？畢竟，目前能生產(chǎn)最先進(jìn)制程EUV光刻機(jī)的廠商，全球有且僅有ASML一家。

與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上也不斷涌現(xiàn)出這樣的疑問：為什么ASML能夠一家獨(dú)大、壟斷全球EUV光刻機(jī)市場(chǎng)？荷蘭這樣的小國家都能造出來，我們?yōu)槭裁丛觳怀鰜?？這比造原子彈還難嗎？

本文接下來將對(duì)ASML EUV光刻機(jī)進(jìn)行“拆解”，并對(duì)ASML的成長逆襲史進(jìn)行簡要梳理，以此更全面地了解ASML如何做到光刻機(jī)霸主地位。雖然它的成功不能復(fù)制，但他山之石可以攻玉，正處于尋求國產(chǎn)化替代的我們，或許可以從它的故事借鑒一二。

01

拆解EUV：集全球尖端科技于一身，90%零部件來自外購

EUV光刻機(jī)，也稱為極紫外光刻系統(tǒng)，作為半導(dǎo)體芯片制造流程中投資最大、技術(shù)難度最高的設(shè)備之一，不斷地挑戰(zhàn)著物理極限和人類工業(yè)制造的極限，它的研發(fā)難度完全不亞于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和原子彈，因此也被譽(yù)為半導(dǎo)體工業(yè)“皇冠上的明珠”（航空發(fā)動(dòng)機(jī)則被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”）。

ASML工程師稱，EUV光刻機(jī)可能是人類迄今制造的最復(fù)雜最精密的機(jī)器之一。有多精密呢？它的工作，相當(dāng)于用波長只有頭發(fā)直徑一萬分之一的極紫外光，在晶圓上繪制電路，能夠讓指甲蓋大小的芯片，包含上百億個(gè)晶體管。

雖然半導(dǎo)體芯片的制造通常包括八大工藝——晶圓清洗、光刻、刻蝕、薄膜沉積、擴(kuò)散、離子注入、機(jī)械研磨、金屬化，其中每一步都不可或缺，但光刻這一步，可以說直接決定了芯片的集成度。

具體來說，光刻類似于照片沖印技術(shù)，利用紫外光線，把掩膜版上的精細(xì)電路圖，曝光打印到硅片上，因此光刻機(jī)也叫掩膜對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)。“打印”的電路圖精細(xì)度越高，同樣大小的晶圓就能容納更多元件，從而大幅降低芯片成本。

根據(jù)公開資料，一臺(tái)EUV光刻機(jī)一共由超過10萬個(gè)零件組成，重達(dá)200噸，運(yùn)輸它需要3架波音747貨機(jī)、40個(gè)貨運(yùn)集裝箱和20輛卡車，將其小心翼翼運(yùn)輸至fab后，還需要半年至一年的時(shí)間進(jìn)行安裝調(diào)試，才能正式運(yùn)行。

這樣一臺(tái)龐大復(fù)雜的EUV光刻機(jī)，售價(jià)相當(dāng)昂貴，大約為1.2~1.5億美元，且價(jià)格還在不斷上漲，其最新一代用于生產(chǎn)2nm芯片的High-NA EUV光刻機(jī)，售價(jià)預(yù)計(jì)達(dá)到4億美元（約合人民幣27億元）。

一臺(tái)EUV工作一天大概需要耗電3萬度

但即便EUV售價(jià)如此高昂，卻仍然訂單不斷，據(jù)電巢了解，目前ASML無論是DUV還是EUV，都已售罄，現(xiàn)在下單的話，要等到2025年之后才能交付。

可以說，先進(jìn)光刻機(jī)的出現(xiàn)，讓人類得以不斷挑戰(zhàn)芯片制造工藝的極限，讓摩爾定律得以不斷延續(xù)。臺(tái)積電、三星等芯片代工巨頭正是依賴于它，才能夠不斷突破制程極限，實(shí)現(xiàn)7nm、5nm、3nm甚至2nm芯片的量產(chǎn)。因此，全球獨(dú)此一家的ASML EUV，從誕生起就不擔(dān)心沒有市場(chǎng)。

但是，ASML能夠擁有如此稱霸全球的絕技，至今壟斷著EUV市場(chǎng)，其實(shí)并非僅靠一己之力，它的背后集合了全球數(shù)千家公司最頂尖的智慧與技術(shù)。

據(jù)調(diào)研，ASML 90%的零部件都來自于外購，ASML只負(fù)責(zé)掌握最核心技術(shù)及集成。根據(jù)其公布的最新資料顯示，公司供應(yīng)商多達(dá)5000家，主要是來自美國、德國、日本、韓國、中國臺(tái)灣和荷蘭本土的企業(yè)，其中美國廠商數(shù)量最多。

具體分布為：來自荷蘭本土的供應(yīng)商大約有1600家，占比32%左右，來自北美和亞洲的供應(yīng)商分別約1350個(gè)，占比各27%，來自EMEA地區(qū)（歐洲、中東和非洲）的供應(yīng)商大約有700家，占比14%左右。

很遺憾的是，這5000家供應(yīng)商，沒有一家來自中國大陸

所有的零部件中，最核心的組件為光源和鏡頭，其中，激光光源的獨(dú)家供應(yīng)商為美國Cymer（被ASML于2012年10月收購，以加快EUV的研發(fā)進(jìn)度）；鏡頭供應(yīng)商為德國卡爾蔡司（Carl Zeiss ）。

另外，浸沒雙工作臺(tái)供應(yīng)商為ASML和臺(tái)積電；光學(xué)組件來自德國的陶瓷和光學(xué)模組制造商Berliner Glas（ASML為了鞏固關(guān)鍵部件的供應(yīng)，已于2020年收購了該公司）；精密加工由德國Heidenhain（海德漢）負(fù)責(zé)，以及日本KYOCERA（京瓷）也為其提供零部件。

2016年，為了克服10nm以下先進(jìn)制程良率控制方面的問題，ASML又收購了電子束晶圓檢測(cè)設(shè)備供應(yīng)商Hemes Microvision（HMI，中文名漢微科），進(jìn)一步擴(kuò)大了供應(yīng)商版圖。ASML部分供應(yīng)商名單如下：

雖然ASML公開資料中顯示沒有中國大陸供應(yīng)商，不過根據(jù)一些企業(yè)自己公布的信息來看，實(shí)際上大陸也有少數(shù)企業(yè)與ASML有著直接或間接的合作，但可能所占份額較小，或所提供零部件并不是關(guān)鍵組件，可替代性較強(qiáng)，因此未引起重視。

值得一提的是，就在2月2日，中國湖南凱美特氣特種氣體公司被ASML子公司Cymer列入合格供應(yīng)商名單，這意味著凱美特氣進(jìn)入了ASML供應(yīng)鏈，說明其在光刻氣生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量得到了認(rèn)可。另外，由于俄烏戰(zhàn)爭的影響，ASML擔(dān)心其烏克蘭的氖氣供應(yīng)商中斷供貨，因此也在中國尋求替代者，有中企透露已通過認(rèn)證。

當(dāng)然，我們現(xiàn)在想要利用這一兩種產(chǎn)品對(duì)ASML進(jìn)行反制，目前來看顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

通過ASML供應(yīng)商拆解，我們看到，ASML實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)集成商，但它掌握著光刻機(jī)最核心的技術(shù)。同時(shí)為了鞏固自己的霸主地位，它還在不斷進(jìn)行收購，已將全球該產(chǎn)業(yè)鏈中最頂尖的企業(yè)幾乎都納入自己麾下，形成利益共同體。其它光刻機(jī)企業(yè)想要再造出能與之匹敵的EUV光刻機(jī)，短時(shí)間內(nèi)僅憑一己之力恐怕很難實(shí)現(xiàn)。

02

ASML逆襲史：人、資金、技術(shù)，缺一不可

縱觀全球光刻機(jī)發(fā)展史，1984年才成立的ASML，入局已經(jīng)比當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)巨頭尼康、GCA等晚了10-20年，而它卻在30多年里實(shí)現(xiàn)從一無所有到一方霸主的逆襲，可謂業(yè)界傳奇。

通過它的逆襲史，我們發(fā)現(xiàn)，ASML的成功離不開三大因素——技術(shù)、資金以及技術(shù)背后的人。

1984年，飛利浦因自身財(cái)務(wù)狀況不佳，決定尋找一家公司合作接管其光刻機(jī)項(xiàng)目。但當(dāng)時(shí)美國光刻機(jī)巨頭Perkins Elmer、GCA等都不愿意，而荷蘭ASM公司的創(chuàng)始人普拉多（Athur Del Prado）則看中這一賽道，主動(dòng)尋求合作，ASML自此成立。

普拉多對(duì)于光刻機(jī)有著堅(jiān)定的信念，他對(duì)ASML的成功也功不可沒

雖然是飛利浦旗下的合資子公司，但ASML成立之初卻很不受重視。公司當(dāng)時(shí)的辦公地點(diǎn)設(shè)在飛利浦門口的一個(gè)簡易板房里，房頂漏水，門口還放著一個(gè)巨大的垃圾箱，辦公環(huán)境可以說十分惡劣了。更慘的是，當(dāng)時(shí)公司市場(chǎng)份額為０，賬戶存款空空，被調(diào)侃為“買杯咖啡就會(huì)破產(chǎn)”的公司。

ASML成立初期的辦公室

那時(shí)候，ASML創(chuàng)始人根本不會(huì)想到，30多年后，公司會(huì)成為半導(dǎo)體光刻領(lǐng)域無可替代的老大哥。

當(dāng)時(shí)的光刻機(jī)市場(chǎng)，屬于美國GCA、Perkins Elmer、日本尼康、佳能等幾家公司，尤其是尼康，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，在1985年正式超過GCA，成為業(yè)界第一大光刻機(jī)供應(yīng)商。那時(shí)才剛剛誕生的ASML，完全無法望其項(xiàng)背。

成立后的前幾年，ASML都不曾盈利，飛利浦一度對(duì)其失去信心。而ASML第一任CEO賈特·斯密特(Gjalt Smit)對(duì)技術(shù)的一次敏銳預(yù)判，改變了公司無人問津的局面。

斯密特在ASML只供職三年便離開，但他對(duì)公司的影響一直延續(xù)至今

斯密特從一次SEMICON West大會(huì)上回來后斷言，從大規(guī)模集成電路（LSI）到超大規(guī)模集成電路（VLSI）的一步顯然就在眼前，顯然芯片的晶體管尺寸將縮短到1/1000毫米以下，光刻機(jī)也不再處理4英寸晶圓，而是轉(zhuǎn)向6英寸。

在這種變化下，產(chǎn)業(yè)需要全新一代的光刻機(jī)，下一代光刻機(jī)必須可以將0.7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，但是目前沒有人能做成這一套光刻解決方案。

斯密特堅(jiān)信ASML取得突破的機(jī)會(huì)來了。但留給他們的時(shí)間并不多，必須爭取在兩年時(shí)間內(nèi)造出新一代光刻機(jī)，否則市場(chǎng)很快就會(huì)被其它巨頭瓜分。

如何在如此短的時(shí)間里完成，斯密特選擇了一個(gè)大膽激進(jìn)的方式——公司只進(jìn)行研發(fā)和組裝，具體模塊分包給合作伙伴。他把光刻機(jī)拆分成各個(gè)模塊，專業(yè)團(tuán)隊(duì)并行開發(fā)每個(gè)模塊，每個(gè)模塊都有自動(dòng)通信接口，最終模塊組裝成整個(gè)光刻機(jī)。這種模塊化研發(fā)安排，大大提高了效率。

他們還與合作商建立深度合作關(guān)系，及時(shí)溝通，打通整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，快速高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

兩年后，他們成功推出了第二代產(chǎn)品電動(dòng)晶圓臺(tái)光刻機(jī)PAS 2500（此前第一代產(chǎn)品步進(jìn)式光刻機(jī)PAS 2000，僅有飛利浦自家友情支持購買了幾臺(tái)），并賣給了美國當(dāng)時(shí)的創(chuàng)業(yè)公司賽普拉斯（Cypress），今天的Nor Flash巨頭（2022年被英飛凌以101億美金收購）。

ASML公司對(duì)PAS 2500的介紹

1987年，臺(tái)積電向ASML下單了17臺(tái)PAS 2500，這一個(gè)大訂單，讓ASML實(shí)現(xiàn)了扭虧為盈。

此后十多年時(shí)間里，ASML從最初無人問津的小透明，成長為臺(tái)積電、IBM等公司的供應(yīng)商，但尼康仍然是橫在他們面前的一個(gè)強(qiáng)大對(duì)手，因?yàn)閼T性，英特爾、IBM還是更青睞于尼康的設(shè)備。想要完全戰(zhàn)勝尼康，實(shí)現(xiàn)逆襲，當(dāng)時(shí)看來還很難。

而ASML很幸運(yùn)也很有決心，抓住了下一個(gè)彎道超車的機(jī)會(huì)——加入EUV LLC聯(lián)盟和選擇浸潤式光刻機(jī)賽道。

20世紀(jì)90年代末，市面上的光刻機(jī)波長停留在193nm，止步不前，干式193nm光刻機(jī)的極限工藝是65nm，如何進(jìn)入40nm工藝，是每個(gè)光刻機(jī)廠商面臨的難題。

當(dāng)時(shí)，業(yè)界提出了各種方法，英特爾則堅(jiān)定地選擇了EUV方法，它和美國能源部牽頭，與AMD、摩托羅拉等于1997年組成EUV LLC聯(lián)盟，驗(yàn)證EUV光刻機(jī)的可行性。而將理論變成產(chǎn)品的重任，則被ASML堅(jiān)定地包攬了過去。

之后的研發(fā)過程中，ASML又一次做出與眾不同的選擇——放棄大家都在研究的干式光刻技術(shù)，把“****注”全部押在了臺(tái)積電工程師林本堅(jiān)提出的“浸潤式”光刻技術(shù)上。

所謂“浸潤原理”就是在晶圓光刻膠上方加一層水，水的介質(zhì)折射率是1.44，因此193nm/1.44≈134nm。因此在不改變光刻機(jī)波長情況下，變相擴(kuò)大了NA，使得193nm波長的能等效出134nm的波長。

之后的幾年里，ASML開始緊鑼密鼓地研發(fā)新設(shè)備，并在2004年正式推出浸潤式光刻機(jī)的原型機(jī)。

2006年，ASML的XT 1400i進(jìn)入英特爾并順利通過40nm工藝的驗(yàn)證，獲得了英特爾的大訂單，之后一路高歌猛進(jìn)，相繼簽下其它大廠商。

2006年，ASML推出的浸潤式光刻機(jī)原型機(jī)

到了2009年，ASML就已經(jīng)拿下70%的市場(chǎng)份額，當(dāng)初的龍頭老大尼康，則快速敗退，只剩下30%的份額。

此后，ASML越戰(zhàn)越勇，一路走向全球EUV光刻機(jī)霸主地位。2012年，它又請(qǐng)英特爾、臺(tái)積電和三星入股公司，以獲得更充足的資金進(jìn)行設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)。得到三大巨頭的資金支持，ASML沒有了資金鏈斷裂的顧慮，才有了“花最多的錢，制造最尖端的機(jī)器”的底氣。

按照ASML自己的說法， EUV真正取得成功是在2018年。它的客戶英特爾、三星、臺(tái)積電，愿意花數(shù)十億美元來購買EUV。說明大家已經(jīng)開始完全信任EUV技術(shù)。

2019 年，第一款支持 EUV 的商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布（三星的 Galaxy Note10 和 Galaxy Note10+ 智能手機(jī)）。2020 年開始，ASML的EUV正式進(jìn)入量產(chǎn)，同年 12 月，ASML慶祝了第 100 臺(tái)EUV出貨。

公司員工慶祝第100臺(tái)EUV的交付

截至 2021 年底，ASML共有127臺(tái)最新一代EUV光刻機(jī)為其全球客戶所用。這些“印鈔機(jī)”一般的機(jī)器，為公司帶來了上千億人民幣的營收。

總 結(jié)

ASML的逆襲之路，可謂跌宕起伏，它曾一次次受到行業(yè)巨頭的輕視，一次次走在破產(chǎn)關(guān)停的邊緣，但它又一次次地堅(jiān)定信心，鼓起勇氣去尋找機(jī)會(huì)、去創(chuàng)新、去突破。

當(dāng)下的中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，也正如最初的ASML一樣在夾縫中求生，但我們相信，憑借國家政策、資金與人才的力量，我們也會(huì)一步一步攻克難關(guān)，書寫屬于我們的傳奇。

ASML工程師曾說：“即使把EUV的設(shè)計(jì)圖紙給別人，也沒人能造得出來?！钡F(xiàn)在，他們的態(tài)度也有所改變。ASML CEO溫寧克在前不久就對(duì)媒體公開表示：“由美國主導(dǎo)的針對(duì)中國的半導(dǎo)體出口管制措施，最終或促使中國在高端芯片制造設(shè)備領(lǐng)域成功研發(fā)出自己的技術(shù)。如果他們不能得到這些機(jī)器，他們就會(huì)自己研發(fā)這些機(jī)器。這需要時(shí)間，但最終他們會(huì)達(dá)到目標(biāo)。你越給他們施加壓力，他們?cè)接锌赡芗颖杜?，以制造能與阿斯麥相匹敵的光刻設(shè)備?！?/span>

目前上海微電子已經(jīng)制造出用于生產(chǎn)90nm制程芯片的光刻機(jī)，28nm也正在研發(fā)中。給中國企業(yè)以時(shí)間，我們與國外廠商之間的差距終將一步步縮小，半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠，也終將為我們所摘取。

參考資料：

金捷幡：《光刻機(jī)之戰(zhàn)》

《ASML的登峰之路，給你帶來不一樣的光刻機(jī)故事》