光刻機之爭掀起第三波浪潮

當下，光刻機在半導體行業(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)了新一波光刻機之爭。

從歷史發(fā)展情況來(lái)看，光刻機（這里主要指用于制造集成電路前道工序的光刻機）的發(fā)展和應用經(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)兩強甩在身后，這是技術(shù)之戰，另一個(gè)是 EUV 商用化之后，先進(jìn)制程（從 16nm 開(kāi)始）爭奪戰打響，臺積電、三星電子和英特爾這三家為了爭奪產(chǎn)量有限的 EUV 而展開(kāi)競爭，這是商業(yè)之爭。

從目前的情況來(lái)看，第三波光刻機之爭正在醞釀之中，它比前兩波更復雜，更激烈。

第一波：逆襲

1957 年，美國陸軍一個(gè)實(shí)驗室的 Jay Lathrop（拉斯洛普）和 James Nall（納爾）獲得了光刻技術(shù)的專(zhuān)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 年在飛兆半導體公司制造了第一批「步進(jìn)重復」相機，使用光刻技術(shù)在單個(gè)晶圓上制造出了許多晶體管。這就是光刻機的雛形。

20 世紀 80 年代，在全球光刻機領(lǐng)域，行業(yè)老大是美國的 GCA 公司，不過(guò)，由于急于向客戶(hù)交付設備，沒(méi)有對產(chǎn)品進(jìn)行檢查，導致數百臺帶有故障鏡頭的產(chǎn)品流向市場(chǎng)。幾乎在同一時(shí)期，日本的尼康改進(jìn)了光刻機的聚焦系統，開(kāi)發(fā)出了具有較大數值孔徑的 g 線(xiàn)目鏡，這種組合使系統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(hù)們紛紛拋棄了 GCA 的光刻機，GCA 很快就衰敗了。

同時(shí)期，佳能也推出了市場(chǎng)認可的產(chǎn)品，與尼康成為當時(shí)光刻機世界的兩強。

與此同時(shí)，憑借在步進(jìn)掃描光刻機上的成功，ASML 也逐步趕了上來(lái)，特別是其標志性的產(chǎn)品 PAS 5500，深受市場(chǎng)好評。經(jīng)歷了多年的苦心經(jīng)營(yíng)，ASML 在步進(jìn)掃描光刻機時(shí)代走到了巨頭行列。

然而，那時(shí)的 ASML，行業(yè)地位并沒(méi)有現在這么凸出，略遜尼康、佳能一籌。

ASML 稱(chēng)霸光刻機行業(yè)，源于 193nm 到 157nm 制程的升級過(guò)程。那之前，步進(jìn)掃描光刻機采用的都是干式法（曝光介質(zhì)是空氣）技術(shù)路線(xiàn)，通過(guò)用更高級的曝光光源，來(lái)支撐技術(shù)進(jìn)步。為了追求更高的分辨率，光源波長(cháng)從最初的 365nm，到 248nm，再到 193nm，之后，這條技術(shù)路線(xiàn)就很難走下去了。

當時(shí)，業(yè)內面臨技術(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，因為出現了一種新的浸沒(méi)式技術(shù)。

浸沒(méi)式技術(shù)是由時(shí)任臺積電科學(xué)家的林本堅提出的，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(cháng)光源，但通過(guò)水的折射，可使進(jìn)入光阻的波長(cháng)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(zhù)相同光源條件下，浸沒(méi)式光刻機的分辨率可以提高 1.4 倍。

不過(guò)，這種技術(shù)在當時(shí)看起來(lái)過(guò)于大膽，技術(shù)難度很大，且成本高，多數傳統光刻技術(shù)既得利益者不愿意接受它。為了推廣浸沒(méi)式技術(shù)，林本堅跑遍美國、日本、德國、荷蘭，向光刻機廠(chǎng)商推銷(xiāo)其創(chuàng )意，但碰了一鼻子灰。多數行業(yè)巨頭對林本堅都持不友好的態(tài)度，尼康甚至向臺積電施壓，要求「封殺」他。

在這種情況下，林本堅把最后的希望寄托在了 ASML 身上，而后者并沒(méi)有辜負他，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)，結果是賭贏(yíng)了。

2003 年，ASML 和臺積電合作研發(fā)的首臺浸沒(méi)式光刻設備——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 的干式光刻機產(chǎn)品樣機。

一個(gè)是用原來(lái) 193nm 光源通過(guò)水進(jìn)化到 132nm 波長(cháng)的新技術(shù)，另一個(gè)是 157nm 波長(cháng)的樣機，浸沒(méi)式技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，這一技術(shù)成為此后 65nm、32nm、16nm 和 7nm 制程產(chǎn)線(xiàn)的主流光刻方案，直到現在的 3nm。

選擇大于努力，ASML 選對了，尼康和佳能選錯了。市場(chǎng)很快擁抱了浸沒(méi)式光刻機，傳統的干式法產(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 是光刻機第一梯隊里最小的玩家，市占率不足 10%，隨著(zhù)浸沒(méi)式光刻機的商用化，到 2008 年，ASML 的市占率達到了 60%，一枝獨秀。

技術(shù)驅動(dòng)的第一波光刻機之爭結束，ASML 大勝。

第二波：爭奪

16nm 和 14nm 制程芯片量產(chǎn)以后，無(wú)論是 DUV，還是 EUV，ASML 的中高端光刻機一直是市場(chǎng)上的香餑餑，臺積電、三星電子、英特爾，以及中國大陸的幾大晶圓廠(chǎng)，每年都在爭奪那數量有限的光刻機。

近些年，隨著(zhù) 7nm、5nm 和 3nm 制程的量產(chǎn)，臺積電、三星電子和英特爾對 EUV 設備的爭奪越來(lái)越激烈。

據悉，臺積電擁有約 60 臺 EUV 光刻機，超過(guò)市場(chǎng)上已出貨 EUV 設備總量的 50%。隨著(zhù) 2nm 研發(fā)和晶圓廠(chǎng)建設工作的開(kāi)展，臺積電對高 NA（數值孔徑）的 EUV 設備提出了更高要求，早早下單，爭取在 ASML 那里拔得頭籌。

三星也在搶購高 NA EUV，并要求 ASML 將設備直接拉到三星工廠(chǎng)內進(jìn)行測試，創(chuàng )下 ASML 直接出貨到客戶(hù)廠(chǎng)內再測試的首例。目前，三星的 EUV 光刻機數量只有臺積電的 60% 左右，甚至更少，2022 年，三星購買(mǎi)了約 18 臺 EUV 設備。

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)藍圖，計劃在未來(lái) 4 年推出 5 個(gè)新世代芯片制程技術(shù)。為了實(shí)現這一目標，英特爾也在爭奪 ASML 最先進(jìn)的 EUV 光刻機，2021 下半年，英特爾宣布領(lǐng)先于臺積電和三星訂購了 ASML 的 TWINSCAN EXE:5200，這是 ASML 正在開(kāi)發(fā)的 NA 達 0.55 的 EUV 設備，單臺價(jià)格達到 3 億美元，據悉，其吞吐量超每小時(shí) 220 片晶圓。按照 ASML 的規劃，TWINSCAN EXE:5200 最快將于 2024 年底投入使用，用于驗證，2025 年開(kāi)始用于芯片量產(chǎn)。

為了滿(mǎn)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，主要體現在高 NA 上。

高 NA 的 EUV 設備具有更高的分辨率，可使芯片密度增加數倍，還可以減少缺陷、成本和芯片生產(chǎn)周期。新的 EUV 設備，其 NA 值將從 0.33 提升到 0.55，以實(shí)現更高分辨率的圖案化。和 0.33NA 光刻機相比，0.55NA 的分辨率從 13nm 升級到 8nm，可以更快更好地曝光更復雜的集成電路圖案，突破 0.33NA 單次構圖 32nm~30nm 間距的極限。

雖然 2023 年半導體市場(chǎng)低迷，但包括臺積電、英特爾、三星、SK 海力士、美光在內的全球芯片大廠(chǎng)依然在積極投資 EUV 設備。臺積電和三星將會(huì )在 2024 年擴大 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(chǎng)的 5nm 制程，每片晶圓平均光罩約 10 層，但隨著(zhù) 2023 年 3nm 的量產(chǎn)，每片晶圓平均光罩達到 20 層。

DRAM 方面，目前采用 EUV 技術(shù)可實(shí)現 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到 10 層。

據 ASML 統計，隨著(zhù)晶圓代工廠(chǎng)和 DRAM 廠(chǎng)擴大 EUV 資本支出，至 2023 年第一季度，該公司已出貨 136 臺 EUV 光刻機。

本周，ASML 首席執行官 Peter Wennink 表示，今年有望推出業(yè)界首款數值孔徑達到 0.55 的 EUV 設備 TWINSCAN EXE：5000，不過(guò)，該設備主要用于研究開(kāi)發(fā)，使該公司的客戶(hù)熟悉新技術(shù)及其功能。如前文所述，每臺這樣的設備成本超過(guò) 3 億美元。

今年，ASML 將向一位未公開(kāi)的客戶(hù)發(fā)送其 TWINSCAN EXE：5000 設備，該客戶(hù)很可能是英特爾，因為該公司曾經(jīng)宣布，計劃從 2025 年開(kāi)始采用高數值孔徑 TWINSCAN EXE 設備進(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值孔徑光刻設備，當時(shí)，它就預定了 TWINSCAN EXE：5000，還訂購了商用版本的 TWINSCAN EXE：5200。

與英特爾相比，臺積電和三星將會(huì )稍晚使用 NA 達到 0.55 的 EUV 設備，但不會(huì )晚于 2030 年。

就 2023 年而言，Susquehanna International Group 高級分析師 Mehdi Hosseini 表示，由于需要采用 EUV 設備進(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，臺積電 3nm 制程無(wú)法真正放量生產(chǎn)。目前，臺積電使用的是 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%。

第三波：雄起

在美國推出禁止向中國大陸出售中高端 DUV 和 EUV 設備的法令后，第三波光刻機之爭悄然到來(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，中國大陸晶圓廠(chǎng)已經(jīng)無(wú)法購買(mǎi)專(zhuān)門(mén)用于生產(chǎn) 14nm 以下先進(jìn)制程芯片的光刻機，如果采用較舊版本的 DUV 設備生產(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。

荷蘭最新半導體設備出口管制措施于 9 月 1 日生效，進(jìn)一步限制了用于成熟制程的 DUV 設備出口到中國大陸，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 及后續推出的浸沒(méi)式光刻機的出口許可證申請，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 在今年底前繼續向中國客戶(hù)出貨 TWINSCAN NXT：2000i 及后續推出的設備。然而，該公司預估在 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 首席執行官 Peter Wennink 在一檔電視節目中表達了他對該公司面臨的出口管制和保護主義的看法。

Peter Wennink 強調，通過(guò)出口管制完全孤立中國大陸并不是一個(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)中國大陸加倍努力創(chuàng )新。他表示，如果歐洲和美國不愿意分享技術(shù)，中國大陸就會(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)中國大陸的創(chuàng )新精神和創(chuàng )造能力。

Peter Wennink 警告，中國大陸將設計出新技術(shù)和產(chǎn)品，這可能會(huì )引發(fā)一場(chǎng)影響全球的競賽。

華爾街日報曾經(jīng)報道過(guò)，美國在 2022 年 10 月升級芯片限售令時(shí)，中國大陸企業(yè)只進(jìn)口了 24 億美元的半導體設備，創(chuàng )下美國推出禁令兩年多以來(lái)的最低數據。這意味著(zhù)，中國半導體設備正在努力擺脫對進(jìn)口的依賴(lài)，自主化進(jìn)程正在提速。