日系光刻机为何被ASML超越了？

草书 · 发表于 2020-10-2 11:26

　　半导体制程的光刻机，用一块极为精细图案的玻璃底板，通过高性能的缩小成像镜头，对涂有感光材料的硅片进行强烈激光照射的自动化曝光设备。这块硅片通常叫晶圆。

　　一台光刻机，他的内部综合了光学，机械，化学，软件等众多高技术要素，担任著半导体制造最为重要的部分，一台光刻机通常差不多与一辆2吨卡车差不多大。

　　现在最先进的细微化电路设计采用的DUV（深紫外线）类型的光刻机，市场的年供求量大约为200～300台，最新机型的价格大约为6亿美元，这对制造商来说要采购这样的设备，通常都会慎重考虑，而且由于产品开发周期的竞争形势大致2年换代，因此新手参入这样的竞争圈相当不易，这不仅仅是设备本身昂贵，还在于一代代生产现场积累起来的运作技术。

　　当今世界的光刻机制造商只剩下3家公司，那就是日本的尼康，佳能和荷兰的ASML。日本的尼康和佳能都是世界著名具有近百年历史的老牌照相机制造商，而ASML是1984由荷兰飞利浦的一个部门和ASMInternational共同出资成立的合资公司。ASML同时还是商社，所以采购能力很强是它的一大特征，这就造成了后来的光刻机的历史进程的差异。

　　2000年以前，面向世界最先进的细微化制程的半导体光刻机市场占有率完全是尼康的天下，但是10年后的2010年，ASML的细微化光刻机市场占有率扩大到了80%，尼康只占了2成，而佳能则在更早时期退出了细微化光刻机市场竞争。半导体光刻机对日本企业来说，最擅长的就是量身定做的精心设计，但是ASML的模块化设计很快在效率上凌驾于尼康之上。

　　此后，半导体光刻机的模块化设计成为模块化革命的关键，加上同时可进行2片晶圆的扫描曝光技术以及液浸式曝光提高精度的技术都成为关键的课题。ASML由于后发参与不用顾及以往的资产继承因此很顺利地进入了这些新设计领域，而尼康虽然也努力向模块化设计转型，整体速度却滞后了不少，这里面既有企业既成的原因，也有顾客层方面的原因。

　　那么为什么ASML与尼康会有所不同呢？纵观2005至2010年很关键的这5年的ASML与尼康的顾客，当时美国的英特尔各工厂占了尼康光刻机客户的近半数，其次是东芝（当时也做光刻机）大约占了2成，可以说英特尔的世界几乎没有ASML的份，但是ASML却已经获得了韩国三星的光刻机最大占有率，紧接着的是SK海力士和台积电。

　　尼康的主要顾客是生产微处理器的英特尔，这些产品都是很复杂的设计。最终的功能调试是英特尔自己做的，但规格很窄，导致前段各种设备包括光刻机制作条件都要严丝合缝的设计装配，而且针对很多个别要求的产品相同的光刻机无法通用，这就阻碍了光刻机设计的模块化。

　　相反，三星电子和台积电生产的是DRAM，ASIC等通用性产品，产品的通用性追求对生产线的规格统一也推波助澜，也就是说不管在哪个工厂生产，都能生产出相同的芯片，换言之，对设备的要求也就自然需要追求通用性。

　　我们来看光刻机的构成要素，尼康的光刻机内有投影系统，照明系统，控制台，对位系统，软件，当然还有机身，这些部分全部是尼康自制的，只有照明系统采用了德国蔡司的。

　　结果是，尼康对各个构成的知识相当丰富，并且具有很强的调整能力和对客户的对应能力，但是在各构成系统的最优化方面几乎没有什么积累。ASML的情况与尼康正好相反，他们的顾客都是后来居上。设备搬入顾客工厂之后还能进行模块的微调整，由此不断地积累了下一台光刻机模块化设计的最优化经验。

　　另一个注目点是，分析近20年的学界业界论文。ASML的共同开发研究论文甚多，甚至包括他们的外部供应链都有很多的相关论文发表，而尼康的论文几乎都是自己单独一家发表的，共同论文，外部论文与ASML相比，数量显得大幅度的少，而且大部分仅限日本国内。从这一点可以看出，ASML不仅是在光刻机的模块零部件相关的供应链上有着巨大的信息共享能力，而且他们在信息收集方面还遍及光刻机以外的世界领域，与尼康相比，ASML完全是在做全球化的光刻机。

　　尼康细微化光刻机在市场被ASML反超的原因，一个是过度拘泥所有零件的内制化，过度拘泥过去的技术资产和方式，唯一外购的光源，在与自己的镜头匹配时，也是最优先考虑如何让镜头的性能如何体现出来，而且与外界和顾客的协作没有积累对下一个新设计的思想，这就导致了无法建立起设计通用性光刻机的平台。

　　最新的细微化光刻机的曝光线宽为7纳米，现在正在向更精细的5纳米和2纳米发展，采用的是EUV（ExtremeUltraviolet、极短紫外线）液浸曝光方式，所谓液浸，就是在镜头与曝光材料之间的成像光路是在液体中传递光线的，而不是我们普通摄影的空气中传递，液浸方式的曝光提高了成像分辨率的同时也排除了空气造成的光波传递误差和噪声，但这种方式并非ASML仅有，佳能和尼康的不同用途的光刻机都广泛采用。

　　ASML光刻机的后发制人的成功，是由于手机这种个人携带机器在追求更高功能的同时又不能超出现有体积大小的限制，但是手机以外的半导体芯片则未必一直如此追求越细越好，比如车载或高铁，飞机，军事，宇宙用途的半导体优先考虑的是可靠性，因此光刻机领域其实也是各有用途的对应设计，ASML赶上了智能手机迅速普及的时代，不能否认是一种运气，但要在诸如车载半导体芯片领域扩大既有的日系光刻机市场，则未必会像手机市场那么容易。

　　半导体制程分为前期制程（主要是对晶圆状态的各种工艺生产）和后期制程（主要是对切割后的晶圆进行芯片加工），工艺要求和技术难度角度说，前期制程的难度远在后期制程之上，所以一个不足百人的中小企业略微投资些后期制程设备，在常规工厂环境就能进行半导体芯片的后期配线封装，但前期制程不仅需要多达几十种甚至几百种不同的设备，光是需要维持工厂环境的高净化度就是一笔不小的运营成本，因此很多人惊呼得不到光刻机半导体产业就完蛋了了，其实给你光刻机，你没有其他配套的设备，同样无法生产半导体，缺一不可。

　　那么为什么世人这么在意光刻机的存在呢？因为光刻机是半导体设备中价格最昂贵的（没有之一），因此虽然ASML只生产光刻机，但是它却能在2018年开始在全球整个半导体设备厂商中登上世界第二，第一是美国的AppliedMaterials,Inc，第三是日本的东京电子。

　　半导体设备从金额上看，虽然ASML异军突起，但这不代表ASML能垄断整个半导体设备，在光刻机以外的各种大量的自动化设备方面，日本毫无疑问依然以其强劲的实力占据了大部分的市场。这可以从去年日韩关系紧张后，日本限制出口给韩国半导体硅材料和高纯度光刻胶，结果导致了韩国半导体产业几乎遭受致命性的打击，而三星和台积电都有大量的日本设备，仅以台积电为例，2008年我设计的一种半导体自动化设备在台积电就多达40几台在运行。