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）公司的先進半導(dǎo)體制造設(shè)備——光刻機，進入普通大眾視野，成為人們茶余飯后談?wù)摰慕裹c話題之一。

1月底，“美日荷三方談判達成協(xié)議，可能進一步限制先進半導(dǎo)體設(shè)備出口”的消息，又一次將光刻機置于輿論中心。

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光刻機斷供中國，我們將如何應(yīng)對？畢竟，目前能生產(chǎn)最先進制程EUV光刻機的廠商，全球有且僅有ASML一家。

與此同時，網(wǎng)絡(luò)上也不斷涌現(xiàn)出這樣的疑問：為什么ASML能夠一家獨大、壟斷全球EUV光刻機市場？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ASML EUV光刻機進行“拆解”，并對ASML的成長逆襲史進行簡要梳理，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(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，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)動機和原子彈，因此也被譽為半導(dǎo)體工業(yè)“皇冠上的明珠”（航空發(fā)動機則被譽為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”）。

ASML工程師稱，EUV光刻機可能是人類迄今制造的最復(fù)雜最精密的機器之一。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(jù)公開資料，一臺EUV光刻機一共由超過10萬個零件組成，重達200噸，運輸它需要3架波音747貨機、40個貨運集裝箱和20輛卡車，將其小心翼翼運輸至fab后，還需要半年至一年的時間進行安裝調(diào)試，才能正式運行。

這樣一臺龐大復(fù)雜的EUV光刻機，售價相當(dāng)昂貴，大約為1.2~1.5億美元，且價格還在不斷上漲，其最新一代用于生產(chǎn)2nm芯片的High-NA EUV光刻機，售價預(yù)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3萬度

但即便EUV售價如此高昂，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，先進光刻機的出現(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，實現(xiàn)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(dān)心沒有市場。

但是，ASML能夠擁有如此稱霸全球的絕技，至今壟斷著EUV市場，其實并非僅靠一己之力，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5000家，主要是來自美國、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，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)進度）；鏡頭供應(yīng)商為德國卡爾蔡司（Carl Zeiss ）。

另外，浸沒雙工作臺供應(yīng)商為ASML和臺積電；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以下先進制程良率控制方面的問題，ASML又收購了電子束晶圓檢測設(shè)備供應(yīng)商Hemes Microvision（HMI，中文名漢微科），進一步擴大了供應(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，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證。

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

通過ASML供應(yīng)商拆解，我們看到，ASML實質(zhì)上就是一個集成商，但它掌握著光刻機最核心的技術(shù)。同時為了鞏固自己的霸主地位，它還在不斷進行收購，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，短時間內(nèi)僅憑一己之力恐怕很難實現(xiàn)。

02

ASML逆襲史：人、資金、技術(shù)，缺一不可

縱觀全球光刻機發(fā)展史，1984年才成立的ASML，入局已經(jīng)比當(dāng)時的光刻機巨頭尼康、GCA等晚了10-20年，而它卻在30多年里實現(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(dāng)時美國光刻機巨頭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，主動尋求合作，ASML自此成立。

普拉多對于光刻機有著堅定的信念，他對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)時的辦公地點設(shè)在飛利浦門口的一個簡易板房里，房頂漏水，門口還放著一個巨大的垃圾箱，辦公環(huán)境可以說十分惡劣了。更慘的是，當(dāng)時公司市場份額為０，賬戶存款空空，被調(diào)侃為“買杯咖啡就會破產(chǎn)”的公司。

ASML成立初期的辦公室

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

當(dāng)時的光刻機市場，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GCA，成為業(yè)界第一大光刻機供應(yīng)商。那時才剛剛誕生的ASML，完全無法望其項背。

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(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，但他對公司的影響一直延續(xù)至今

斯密特從一次SEMICON West大會上回來后斷言，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，下一代光刻機必須可以將0.7微米的細節(jié)成像到晶圓上，并實現(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。

斯密特堅信ASML取得突破的機會來了。但留給他們的時間并不多，必須爭取在兩年時間內(nèi)造出新一代光刻機，否則市場很快就會被其它巨頭瓜分。

如何在如此短的時間里完成，斯密特選擇了一個大膽激進的方式——公司只進行研發(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模塊，專業(yè)團隊并行開發(fā)每個模塊，每個模塊都有自動通信接口，最終模塊組裝成整個光刻機。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，及時溝通，打通整個產(chǎn)業(yè)鏈，快速高效運轉(zhuǎn)。

兩年后，他們成功推出了第二代產(chǎn)品電動晶圓臺光刻機PAS 2500（此前第一代產(chǎn)品步進式光刻機PAS 2000，僅有飛利浦自家友情支持購買了幾臺），并賣給了美國當(dāng)時的創(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，這一個大訂單，讓ASML實現(xiàn)了扭虧為盈。

此后十多年時間里，ASML從最初無人問津的小透明，成長為臺積電、IBM等公司的供應(yīng)商，但尼康仍然是橫在他們面前的一個強大對手，因為慣性，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，實現(xiàn)逆襲，當(dāng)時看來還很難。

而ASML很幸運也很有決心，抓住了下一個彎道超車的機會——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停留在193nm，止步不前，干式193nm光刻機的極限工藝是65nm，如何進入40nm工藝，是每個光刻機廠商面臨的難題。

當(dāng)時，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情況下，變相擴大了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的原型機。

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

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）。2020 年開始，ASML的EUV正式進入量產(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所用。這些“印鈔機”一般的機器，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，但它又一次次地堅定信心，鼓起勇氣去尋找機會、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媒體公開表示：“由美國主導(dǎo)的針對中國的半導(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器，他們就會自己研發(fā)這些機器。這需要時間，但最終他們會達到目標。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(shè)備。”

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：《光刻機之戰(zhàn)》

《ASML的登峰之路，給你帶來不一樣的光刻機故事》