光刻機(jī)之爭掀起第三波浪潮

作者：暢秋

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。

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，有兩個值得關(guān)注的時期，一個是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)，另一個是EUV商用化之后，先進(jìn)制程（從16nm開始）爭奪戰(zhàn)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而展開競爭，這是商業(yè)之爭。

從目前的情況來看，第三波光刻機(jī)之爭正在醞釀之中，它比前兩波更復(fù)雜，更激烈。

?01第一波：逆襲

1957年，美國陸軍一個實驗室的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)老大是美國的GCA公司，不過，由于急于向客戶交付設(shè)備，沒有對產(chǎn)品進(jìn)行檢查，導(dǎo)致數(shù)百臺帶有故障鏡頭的產(chǎn)品流向市場。幾乎在同一時期，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，客戶們紛紛拋棄了GCA的光刻機(jī)，GCA很快就衰敗了。

同時期，佳能也推出了市場認(rèn)可的產(chǎn)品，與尼康成為當(dāng)時光刻機(jī)世界的兩強(qiáng)。

與此同時，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，深受市場好評。經(jīng)歷了多年的苦心經(jīng)營，ASML在步進(jìn)掃描光刻機(jī)時代走到了巨頭行列。

然而，那時的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，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，因為出現(xiàn)了一種新的浸沒式技術(shù)。

浸沒式技術(shù)是由時任臺積電科學(xué)家的林本堅提出的，他創(chuàng)造性地用水作為曝光介質(zhì)，還是用原來的193nm波長光源，但通過水的折射，可使進(jìn)入光阻的波長縮小到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)，林本堅跑遍美國、日本、德國、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，而后者并沒有辜負(fù)他，在技術(shù)和行業(yè)發(fā)展到岔路口時，ASML選擇了顛覆式的創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)果是賭贏了。

2003年，ASML和臺積電合作研發(fā)的首臺浸沒式光刻設(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)。

一個是用原來193nm光源通過水進(jìn)化到132nm波長的新技術(shù)，另一個是157nm波長的樣機(jī)，浸沒式技術(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)線的主流光刻方案，直到現(xiàn)在的3nm。

選擇大于努力，ASML選對了，尼康和佳能選錯了。市場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%，一枝獨秀。

技術(shù)驅(qū)動的第一波光刻機(jī)之爭結(jié)束，ASML大勝。

?02第二波：爭奪

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，每年都在爭奪那數(shù)量有限的光刻機(jī)。

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

據(jù)悉，臺積電擁有約60臺EUV光刻機(jī)，超過市場上已出貨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，臺積電對高NA（數(shù)值孔徑）的EUV設(shè)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(shè)備直接拉到三星工廠內(nèi)進(jìn)行測試，創(chuàng)下ASML直接出貨到客戶廠內(nèi)再測試的首例。目前，三星的EUV光刻機(jī)數(shù)量只有臺積電的60%左右，甚至更少，2022年，三星購買了約18臺EUV設(shè)備。

2021年，英特爾宣布重返晶圓代工市場，并在同年7月宣布推出先進(jìn)制程技術(shù)藍(lán)圖，計劃在未來4年推出5個新世代芯片制程技術(shù)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，英特爾也在爭奪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，單臺價格達(dá)到3億美元，據(jù)悉，其吞吐量超每小時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)體市場低迷，但包括臺積電、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。臺積電和三星將會在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，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，因為該公司曾經(jīng)宣布，計劃從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，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，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，臺積電和三星將會稍晚使用NA達(dá)到0.55的EUV設(shè)備，但不會晚于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(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，臺積電3nm制程無法真正放量生產(chǎn)。目前，臺積電使用的是NXE：3600D，每小時可生產(chǎn)160個晶圓（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每小時可生產(chǎn)195片晶圓，經(jīng)過一段時間優(yōu)化后，能提升到每小時220片，吞吐量比NXE：3600D提高30%。

?03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(shè)備的法令后，第三波光刻機(jī)之爭悄然到來，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，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大陸并不是一個可行的做法。華為Mate 60 Pro中的芯片實現(xiàn)突破就間接說明了這一點，這些限制實際上正在推動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)中國大陸的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力。

Peter Wennink警告，中國大陸將設(shè)計出新技術(shù)和產(chǎn)品，這可能會引發(fā)一場影響全球的競賽。華爾街日報曾經(jīng)報道過，美國在2022年10月升級芯片限售令時，中國大陸企業(yè)只進(jìn)口了24億美元的半導(dǎo)體設(shè)備，創(chuàng)下美國推出禁令兩年多以來的最低數(shù)據(jù)。

這意味著，中國半導(dǎo)體設(shè)備正在努力擺脫對進(jìn)口的依賴，自主化進(jìn)程正在提速。