ASML逆襲史：人、資金、技術(shù)，缺一不可

前言

近年來(lái)，由于眾所周知的原因，荷蘭ASML（阿斯麥）公司的先進(jìn)半導體制造設備——光刻機，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(huà)題之一。

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

根據外媒消息，若這一協(xié)議生效，ASML的部分DUV和EUV（極紫外光刻系統）光刻機將可能向中國斷供，國內14nm及以下制程芯片的產(chǎn)線(xiàn)建設與擴產(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)界仍然不免擔心，一旦EUV光刻機斷供中國，我們將如何應對？畢竟，目前能生產(chǎn)最先進(jìn)制程EUV光刻機的廠(chǎng)商，全球有且僅有ASML一家。

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

本文接下來(lái)將對ASML EUV光刻機進(jìn)行“拆解”，并對ASML的成長(cháng)逆襲史進(jìn)行簡(jiǎn)要梳理，以此更全面地了解ASML如何做到光刻機霸主地位。雖然它的成功不能復制，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(lái)自外購

EUV光刻機，也稱(chēng)為極紫外光刻系統，作為半導體芯片制造流程中投資最大、技術(shù)難度最高的設備之一，不斷地挑戰著(zhù)物理極限和人類(lèi)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)機和原子彈，因此也被譽(yù)為半導體工業(yè)“皇冠上的明珠”（航空發(fā)動(dòng)機則被譽(yù)為“現代工業(yè)皇冠上的明珠”）。

ASML工程師稱(chēng)，EUV光刻機可能是人類(lèi)迄今制造的最復雜最精密的機器之一。有多精密呢？它的工作，相當于用波長(cháng)只有頭發(fā)直徑一萬(wàn)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、擴散、離子注入、機械研磨、金屬化，其中每一步都不可或缺，但光刻這一步，可以說(shuō)直接決定了芯片的集成度。

具體來(lái)說(shuō)，光刻類(lèi)似于照片沖印技術(shù)，利用紫外光線(xiàn)，把掩膜版上的精細電路圖，曝光打印到硅片上，因此光刻機也叫掩膜對準曝光機。“打印”的電路圖精細度越高，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。

根據公開(kāi)資料，一臺EUV光刻機一共由超過(guò)10萬(wàn)個(gè)零件組成，重達200噸，運輸它需要3架波音747貨機、40個(gè)貨運集裝箱和20輛卡車(chē)，將其小心翼翼運輸至fab后，還需要半年至一年的時(shí)間進(jìn)行安裝調試，才能正式運行。

這樣一臺龐大復雜的EUV光刻機，售價(jià)相當昂貴，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，售價(jià)預計達到4億美元（約合人民幣27億元）。

一臺EUV工作一天大概需要耗電3萬(wàn)度

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

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

但是，ASML能夠擁有如此稱(chēng)霸全球的絕技，至今壟斷著(zhù)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千家公司最頂尖的智慧與技術(shù)。

據調研，ASML 90%的零部件都來(lái)自于外購，ASML只負責掌握最核心技術(shù)及集成。根據其公布的最新資料顯示，公司供應商多達5000家，主要是來(lái)自美國、德國、日本、韓國、中國臺灣和荷蘭本土的企業(yè)，其中美國廠(chǎng)商數量最多。

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

很遺憾的是，這5000家供應商，沒(méi)有一家來(lái)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，激光光源的獨家供應商為美國Cymer（被ASML于2012年10月收購，以加快EUV的研發(fā)進(jìn)度）；鏡頭供應商為德國卡爾蔡司（Carl Zeiss ）。

另外，浸沒(méi)雙工作臺供應商為ASML和臺積電；光學(xué)組件來(lái)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，已于2020年收購了該公司）；精密加工由德國Heidenhain（海德漢）負責，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(wèn)題，ASML又收購了電子束晶圓檢測設備供應商Hemes Microvision（HMI，中文名漢微科），進(jìn)一步擴大了供應商版圖。ASML部分供應商名單如下：

雖然ASML公開(kāi)資料中顯示沒(méi)有中國大陸供應商，不過(guò)根據一些企業(yè)自己公布的信息來(lái)看，實(shí)際上大陸也有少數企業(yè)與ASML有著(zhù)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，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列入合格供應商名單，這意味著(zhù)凱美特氣進(jìn)入了ASML供應鏈，說(shuō)明其在光刻氣生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量得到了認可。另外，由于俄烏戰爭的影響，ASML擔心其烏克蘭的氖氣供應商中斷供貨，因此也在中國尋求替代者，有中企透露已通過(guò)認證。

當然，我們現在想要利用這一兩種產(chǎn)品對ASML進(jìn)行反制，目前來(lái)看顯然是不現實(shí)的。

通過(guò)ASML供應商拆解，我們看到，ASML實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)集成商，但它掌握著(zhù)光刻機最核心的技術(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。其它光刻機企業(yè)想要再造出能與之匹敵的EUV光刻機，短時(shí)間內僅憑一己之力恐怕很難實(shí)現。

02

ASML逆襲史：人、資金、技術(shù)，缺一不可

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

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

1984年，飛利浦因自身財務(wù)狀況不佳，決定尋找一家公司合作接管其光刻機項目。但當時(shí)美國光刻機巨頭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。

普拉多對于光刻機有著(zhù)堅定的信念，他對ASML的成功也功不可沒(méi)

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。公司當時(shí)的辦公地點(diǎn)設在飛利浦門(mén)口的一個(gè)簡(jiǎn)易板房里，房頂漏水，門(mén)口還放著(zhù)一個(gè)巨大的垃圾箱，辦公環(huán)境可以說(shuō)十分惡劣了。更慘的是，當時(shí)公司市場(chǎng)份額為０，賬戶(hù)存款空空，被調侃為“買(mǎi)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 )成為半導體光刻領(lǐng)域無(wú)可替代的老大哥。

當時(shí)的光刻機市場(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)展勢頭強勁，在1985年正式超過(guò)GCA，成為業(yè)界第一大光刻機供應商。那時(shí)才剛剛誕生的ASML，完全無(wú)法望其項背。

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

斯密特在A(yíng)SML只供職三年便離開(kāi)，但他對公司的影響一直延續至今

斯密特從一次SEMICON West大會(huì )上回來(lái)后斷言，從大規模集成電路（LSI）到超大規模集成電路（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，光刻機也不再處理4英寸晶圓，而是轉向6英寸。

在這種變化下，產(chǎn)業(yè)需要全新一代的光刻機，下一代光刻機必須可以將0.7微米的細節成像到晶圓上，并實(shí)現更緊密的微電子集成，但是目前沒(méi)有人能做成這一套光刻解決方案。

斯密特堅信ASML取得突破的機會(huì )來(lái)了。但留給他們的時(shí)間并不多，必須爭取在兩年時(shí)間內造出新一代光刻機，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。他把光刻機拆分成各個(gè)模塊，專(zhuān)業(yè)團隊并行開(kāi)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。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，快速高效運轉。

兩年后，他們成功推出了第二代產(chǎn)品電動(dòng)晶圓臺光刻機PAS 2500（此前第一代產(chǎn)品步進(jìn)式光刻機PAS 2000，僅有飛利浦自家友情支持購買(mǎi)了幾臺），并賣(mài)給了美國當時(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PAS 2500的介紹

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

此后十多年時(shí)間里，ASML從最初無(wú)人問(wèn)津的小透明，成長(cháng)為臺積電、IBM等公司的供應商，但尼康仍然是橫在他們面前的一個(gè)強大對手，因為慣性，英特爾、IBM還是更青睞于尼康的設備。想要完全戰勝尼康，實(shí)現逆襲，當時(shí)看來(lái)還很難。

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

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

當時(shí)，業(yè)界提出了各種方法，英特爾則堅定地選擇了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，驗證EUV光刻機的可行性。而將理論變成產(chǎn)品的重任，則被ASML堅定地包攬了過(guò)去。

之后的研發(fā)過(guò)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”全部押在了臺積電工程師林本堅提出的“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波長(cháng)情況下，變相擴大了NA，使得193nm波長(cháng)的能等效出134nm的波長(cháng)。

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

2006年，ASML的XT 1400i進(jìn)入英特爾并順利通過(guò)40nm工藝的驗證，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(chǎng)商。

2006年，ASML推出的浸潤式光刻機原型機

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

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

按照ASML自己的說(shuō)法， EUV真正取得成功是在2018年。它的客戶(hù)英特爾、三星、臺積電，愿意花數十億美元來(lái)購買(mǎi)EUV。說(shuō)明大家已經(jīng)開(kāi)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）。2020 年開(kāi)始，ASML的EUV正式進(jìn)入量產(chǎn)，同年 12 月，ASML慶祝了第 100 臺EUV出貨。

公司員工慶祝第100臺EUV的交付

截至 2021 年底，ASML共有127臺最新一代EUV光刻機為其全球客戶(hù)所用。這些“印鈔機”一般的機器，為公司帶來(lái)了上千億人民幣的營(yíng)收。

總 結

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，但它又一次次地堅定信心，鼓起勇氣去尋找機會(huì )、去創(chuàng )新、去突破。

當下的中國半導體產(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(shū)寫(xiě)屬于我們的傳奇。

ASML工程師曾說(shuō)：“即使把EUV的設計圖紙給別人，也沒(méi)人能造得出來(lái)?！钡F在，他們的態(tài)度也有所改變。ASML CEO溫寧克在前不久就對媒體公開(kāi)表示：“由美國主導的針對中國的半導體出口管制措施，最終或促使中國在高端芯片制造設備領(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器，他們就會(huì )自己研發(fā)這些機器。這需要時(shí)間，但最終他們會(huì )達到目標。你越給他們施加壓力，他們越有可能加倍努力，以制造能與阿斯麥相匹敵的光刻設備?！?/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，28nm也正在研發(fā)中。給中國企業(yè)以時(shí)間，我們與國外廠(chǎng)商之間的差距終將一步步縮小，半導體工業(yè)皇冠上的明珠，也終將為我們所摘取。

參考資料：

金捷幡：《光刻機之戰》

《ASML的登峰之路，給你帶來(lái)不一樣的光刻機故事》