當?shù)貢r間3月23日，美國消費者新聞與商業(yè)頻道（CNBC）發(fā)布了針對全球光刻機龍頭ASML的采訪視頻，不僅展示了ASML的EUV光刻機工廠，還展示了ASML新一代高數(shù)值孔徑 (High-NA) EUV光刻機EXE:5000系列。

近年來，隨著全球數(shù)字化、智能化進程的加速，全球?qū)τ诎雽w的需求呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。

根據(jù)半導體研究機構(gòu)IC Insights 預計，2021年全球半導體產(chǎn)值躍升至6140億美元，同比大漲25%。2022年全球半導體產(chǎn)值有望達6806億美元規(guī)模，同比將增長11%，創(chuàng)歷史新高紀錄。

面對旺盛的半導體需求，目前全球的主要的半導體制造商也在紛紛擴大產(chǎn)能，由此也推升了對于半導體制造設備需求增長。

根據(jù)SEMI的預測數(shù)據(jù)顯示，預計2021年原始設備制造商的半導體制造設備全球銷售總額將達到1030億美元的新高，比2020年的710億美元的歷史記錄增長44.7%。預計2022年全球半導體制造設備市場總額將擴大到1140億美元。

半導體制造設備可以分為前道設備和后道設備。其中，前道制造設備主要包括光刻機、涂膠顯影設備、刻蝕機、去膠機、薄膜沉積設備、清洗機、CMP設備、離子注入機、熱處理設備、量測設備；后道制造設備主要包括減薄機、劃片機、裝片機、引線鍵合機、測試機、分選機、探針臺等。

有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，光刻工藝是晶圓制造過程中占用時間比最大的步驟，約占晶圓制造總時長的40%-50%。可以說，如果沒有光刻機，芯片便無法制造。

如果以各類晶圓制造設備在產(chǎn)線當中的投資額占比來看，光刻機也是目前晶圓制造產(chǎn)線中成本最高的半導體設備，約占晶圓生產(chǎn)線設備總成本的27%。

目前能夠制造7nm以下先進制程的EUV光刻機，一臺售價約2億美元，只有ASML一家能夠供應，且產(chǎn)能有限。

可以制造2nm先進制程的ASML的新一代高數(shù)值孔徑 (High-NA) EUV光刻機EXE:5500的售價將更是高達3億美元。

ASML的前身是荷蘭電子巨頭飛利浦的光刻設備研發(fā)部門，曾在1973年成功研發(fā)出了新型光刻設備（PAS2000的原型），在整體性能研發(fā)方面取得一定成功，但由于成本高昂，且存在一系列技術(shù)問題，未能最終推出。

同時，由于其他設備商在解決接觸式光刻機的缺陷問題上用不同的技術(shù)路徑取得了突破，飛利浦一度計劃要關停光刻設備研發(fā)部門。

不過，隨后另一家半導體設備廠商ASMI希望與飛利浦合作開發(fā)生產(chǎn)光刻機，于是在1984年，雙方分別出資約210萬美元成立了ASML。

自2013年起擔任ASML的首席執(zhí)行官的彼得·溫寧克（Peter Wennink），雖然早在1999年就加入了ASML，但那已是在ASML成立的15年后。

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△ASML最初的辦公地點

“那時ASML經(jīng)濟困難，沒有資金，我們很窮。因為飛利浦公司太大了，沒有人看重這個小公司，他們試圖做一些瘋狂的事情，所以他們忽略了我們。”溫寧克說到。

△彼得·溫寧克（Peter Wennink）

在當時的光刻機市場，ASML也還只是一個“無名小卒”。

資料顯示，當時市場主要被美國GCA和日本的尼康所占據(jù)，二者分別占據(jù)了約30%的市場，Ultratech占比約10%，剩下的市場則被Eaton、P&E、佳能、日立等廠商瓜分，不過他們的份額均不到5%。

盡管如此，在成立的第一年，ASML成功地推出了首款步進式光刻機PAS2000（基于1973年推出光刻設備的進一步完善，飛利浦最初的210萬美注資中有180萬美元就是用尚未研發(fā)完成的PAS2000充當?shù)模?/p>

不過，PAS2000采用的是油壓驅(qū)動，技術(shù)落后于當時的同行。

△PAS2000

1986年，ASML改進了對準系統(tǒng)，推出了PAS2500/10步進型光刻機，同時與德國鏡頭制造商卡爾蔡司（Carl Zeiss）建立了穩(wěn)定的合作關系。

當時，ASML在美國有五個辦事處，共有84名員工，并在荷蘭維爾多芬（Veldhoven）設立了一個新的據(jù)點，最終成為該公司的總部。

1990年左右，ASML推出PAS5500系列光刻機，這一設計超前的8英寸光刻機，其采用了模塊化設計的光刻系統(tǒng)，可以在同一平臺上生產(chǎn)多代先進IC。

該平臺的完全模塊化設計使芯片制造商能夠隨著技術(shù)需求的增加升級系統(tǒng)，并具有業(yè)界領先的生產(chǎn)效率和精度，成為了ASML當時扭轉(zhuǎn)局勢的重要產(chǎn)品。

△PAS5500

PAS5500不僅為ASML帶來臺積電、三星和現(xiàn)代等關鍵客戶，憑借PAS5500的優(yōu)勢持續(xù)獲得客戶的認可，也為ASML帶來了市占率的持續(xù)提升和豐厚的盈利。到1994年時，ASML在全球光刻機市場的市占率已經(jīng)提升至18%。

1995年，ASML分別在阿姆斯特丹及紐約納斯達克上市。ASML利用上市募集的資金開始進一步加大研發(fā)投入并擴大生產(chǎn)規(guī)模，擴建了位于荷蘭埃因霍溫的廠房，現(xiàn)已成為ASML的總部。

如果說PAS5500的成功，讓ASML成功在光刻機市場有了重要的一席之地，那么ASML在浸沒式光刻技術(shù)上的成功，則一舉擊敗尼康等頭部光刻機廠商，成為全球光刻機市場的龍頭老大。

在2000年之前，光刻設備中一直采用的是干式光刻技術(shù)，雖然鏡頭和光源等一直在改進，但始終難以將光刻光源的193nm（DUV，深紫外光）波長縮短到157nm，從而進一步提升光刻機的分辨率。

從以下公式可以看到，光刻分辨率（R）主要由三個因數(shù)決定，分別是光的波長（λ）、鏡頭半孔徑角的正弦值（sinθ）、折射率（n）以及系數(shù)k1有關。

在光源波長及k1不變的情況下，要想提升分辨率，則需要提升n或者sinθ值。由于sinθ與鏡頭有關，提升需要很大的成本，目前sinθ已經(jīng)提升到0.93，已很難再提升，而且其不可能大于1,所以提升n就顯得更為現(xiàn)實。

因此，在原有的193nm光刻機系統(tǒng)當中增加浸沒單元，利用超純水替換透鏡和晶圓表面之間的空氣間隙（水在193nm波長時的折射率n=1.44，空氣為1），使得光源進入后波長縮短，從而提升光刻分辨率。

基于與臺積電的長期深度合作，以及希望通過彎道超車來對尼康等走干式光刻技術(shù)路線的頭部光機廠商的趕超，ASML當時選擇了與臺積電合作，走浸沒式光刻路線，在2003年開發(fā)出了首臺浸沒式光刻機樣機TWINSCAN AT:1150i，成功將90nm制程提升到65nm。

2006年，ASML首臺量產(chǎn)的浸入式設備TWINSCAN XT:1700i發(fā)布。2007年，AMSL又推出了首個193nm的浸沒式系統(tǒng)TWINSCAN XT:1900i。

雖然尼康后期也開始轉(zhuǎn)向浸沒式光刻系統(tǒng)，但是由于時間進度上的大幅落后，也導致了其難以在浸沒式光刻系統(tǒng)上實現(xiàn)對ASML的追趕，此后開始迅速走向沒落。

使用193nm ArF光源的干式光刻，其可以生產(chǎn)的半導體工藝節(jié)點可達45/40nm，而進一步采用浸沒式光刻、配合比較激進的可制造性設計（DfM）等技術(shù)后，可以生產(chǎn)28nm工藝節(jié)點的芯片。而要在193nm浸沒式光刻的基礎上，進入到更高端制程，就必須采用多重曝光，但其半導體工藝制程也只能達到7nm左右的極限。

雖然193nm浸沒式光刻技術(shù)解決了此前干式光刻技術(shù)面臨的光刻光源的波長難以進一步縮短的問題，但是隨著工藝制程的繼續(xù)推進，要想繼續(xù)提升光刻分辨率，如果不能進一步縮短光源波長，就必須采用多重曝光，

然而使用多重曝光會帶來兩大新問題：一是光刻加掩膜的成本上升，而且影響良率，多一次工藝步驟就是多一次良率的降低；二是工藝的循環(huán)周期延長，因為多重曝光不但增加曝光次數(shù)，而且增加刻蝕（ETCH）和機械研磨（CMP）工藝次數(shù)等。同時，即便采用了多重曝光，對于193nm浸沒式光刻機來說，制造7nm工藝節(jié)點的芯片也已經(jīng)是極限。

所以，如果要推動半導體制程繼續(xù)往5nm及以下走，最為直接的方法就是采用新的波長為13.5nm的EUV（極紫外光）作為曝光光源（僅是193nm的1/14），不僅可以使得光刻的分辨率大幅提升，同時也不再需要多重曝光，一次就能曝出想要的精細圖形，而且也不需要浸沒系統(tǒng)，沒有超純水和晶圓接觸，在產(chǎn)品生產(chǎn)周期、OPC的復雜程度、工藝控制、良率等方面的優(yōu)勢明顯。

得益于通過193nm浸沒式光刻機系統(tǒng)在市場大獲成功，成為全球領先光刻機廠商之后，ASML很快又投入了全新的EUV光刻機的研發(fā)。

但是EUV光刻機的研發(fā)不僅耗資巨大，即使研發(fā)成功，其單價也是高的驚人（單臺售價超過1億美元），僅有少數(shù)晶圓制造商能夠負擔的起（目前全球也僅有5家廠商在用EUV光刻機），主要給ASML帶來了巨大的壓力。

為了繼續(xù)推動EUV光刻系統(tǒng)的研發(fā)，2012年ASML提出“客戶聯(lián)合投資專案”(Customer Co-Investment Program)， 獲得其主要客戶英特爾、臺積電、三星這三大全球晶圓制造巨頭的支持，ASML以23%的股權(quán)從這三家客戶那里共籌得53億歐元資金，以投入EUV光刻系統(tǒng)的研發(fā)和量產(chǎn)。

2013年，ASML發(fā)售第二代EUV系統(tǒng)NXE:3300B，但是精度與效率不具備10nm以下制程的生產(chǎn)效益；2015年ASML又推出第三代EUV系統(tǒng)NXE:3350。

2016年，第一批面向制造的EUV系統(tǒng)NXE:3400B開始批量發(fā)售，NXE:3400B的光學與機電系統(tǒng)的技術(shù)有所突破，極紫外光源的波長縮短至13nm，每小時處理晶圓125片，或每天可1500片；連續(xù)4周的平均生產(chǎn)良率可達80%，兼具高生產(chǎn)率與高精度。

2019年推出的NXE:3400C更是將產(chǎn)能提高到每小時處理晶圓175片。目前，ASML在售的EUV光刻機包括NXE:3300B、NXE:3400C兩種機型。

據(jù)ASML介紹，對于EUV光刻機的研發(fā)，ASML總計花了90億美元的研發(fā)投入和17年的研究，才最終獲得了成功。

憑借著英特爾、臺積電、三星著三大頭部客戶的強力支持，再加上ASML自身在EUV光刻領域的持續(xù)研發(fā)投入，以及在EUV光刻設備上游的關鍵器件和技術(shù)領域的多筆收購及投資布局，使得ASML多年來一直是全球EUV光刻機市場的唯一供應商。

1999年6月，ASML收購MicroUnity Systems Engineering Inc. 業(yè)務部JMaskTools，使得公司在先進技術(shù)節(jié)點方面可以提供最完整的解決方案，改善了公司光刻機的掃描和成像能力，顯著增加了聚集深度，擴大了光刻窗口，提高了芯片產(chǎn)量。

2001年5月完成對Silicon Valley Group，Inc. (SVG) 的收購，獲得了投影掩罩瞄準技術(shù)、掃描技術(shù)，極大的提升了公司產(chǎn)品的技術(shù)，并在美國擁有了研發(fā)生產(chǎn)基地。

2007年3月，ASML完成了收購光刻解決方案提供商Brion Technologies, Brion的計算光刻技術(shù)(設計驗證，分辨率增強技術(shù)RET以及光學鄰近效應修正OPC)能使半導體制造商得以對制作出的集成電路圖形進行仿真，并可更正掩模圖形，從而優(yōu)化制造工藝，提高成品率。

2013年5月30日，ASML以25億美元完成了對美國準分子光源提供商Cymer公司的收購，為ASML量產(chǎn)EUV光刻系統(tǒng)起決定性作用。

不過，需要指出的是，美國政府同意ASML收購Cymer是有條件的，ASML需同意在美國建立一所工廠和一個研發(fā)中心，以此滿足所有美國本土的產(chǎn)能需求。同時，ASML還需要保證Cymer的產(chǎn)品的55%的零部件均從美國供應商處采購，并接受定期審查。這也為美國后續(xù)阻撓ASML對中國大陸出口EUV光刻機埋下了伏筆。

2016年11月5日，AMSL收購了卡爾蔡司半導體制造技術(shù)公司（Carl Zeiss SMT）的24.9%股權(quán)，以強化雙方在半導體微影技術(shù)方面的合作，研發(fā)下一代Hig NA EUV光刻系統(tǒng)。

2016年11月22日，ASML完成對漢微科Hermes Microvision收購，以強化對半導體制造商的高科技服務。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年全球半導體光刻機總銷量約413臺，銷售額約130億美元，其中用于晶圓制造的基本均為ASML、尼康和佳能三家公司的產(chǎn)品。

如果以銷量來看，ASML銷售258臺占比62%（其中EUV光刻機出貨量已經(jīng)達到 31臺），佳能銷售122臺占比30%，尼康銷售33臺占比8%；如果以銷售額來看，ASML的份額高達近90%。

CNBC在本月初的時候參觀了ASML位于荷蘭維爾多芬（Veldhoven）總部的EUV光刻機工廠。據(jù)介紹，該工廠占地約50000平方米，共有1500名員工，他們正在7 x 24小時輪班工作，ASML銷售到全球各地的EUV光刻機均由該工廠進行總裝生產(chǎn)。

據(jù)ASML介紹整部EUV光刻機是由“照明光學模組”（Illuminator）、“投影光學模組”（Projection optics）、“光罩傳輸模組”(Reticle Handler)、“光罩平臺模組”(Reticle Stage)、“晶圓傳送模組”（Wafer Handler）、“晶圓平臺模組”（Wafer Stage）及“光源模組”（Soure）這七大模組組成。

其中，EUV光源被稱為激光等離子體光源，是通過30千瓦功率的二氧化碳激光器每秒2次轟擊霧化的錫（Sn）金屬液滴（錫金屬液滴以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出），將它們蒸發(fā)成等離子體，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的EUV光線。

△EUV激光系統(tǒng)

△錫金屬液滴以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出，通過二氧化碳激光器激光進行轟擊，產(chǎn)生EUV光線

由于EUV光線波長非常短，所以它們會很容易被空氣吸收，所以整個EUV光源的工作環(huán)境需要被抽成真空。

同時，EUV光線也無法被玻璃透鏡折射，必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進方向，而且每一次反射仍會損失不少的能量，導致最終到達晶圓的光子只有原來的約5%左右（ASML公布的最新數(shù)據(jù)）。

為此，ASML與德國光學公司蔡司（Zeiss）合作，由該公司來生產(chǎn)世界上最平坦的鏡面，以使得EUV光線經(jīng)過多次反射后能夠精準的投射到晶圓上。

△蔡司的反射鏡

據(jù)ASML EUV工廠工程總監(jiān)Mike LaBelle介紹，EUV光刻系統(tǒng)當中的蔡司的反射鏡的平整度是令人難以置信的。“如果將這個反射鏡放大到我們所在國家的大小，那么EUV光線最大的撞擊在這個國家大小的鏡面上的只有大約一毫米。”

ASML EUV工廠工程總監(jiān)Mike LaBelle

臺積電也曾表示，“目標必須非常精確，這相當于從月球發(fā)射EUV激光，擊中地球上的一枚硬幣。”

此外，CNBC還參觀了位于美國圣地亞哥的ASML生產(chǎn)光源的子公司Cymer的潔凈室。

據(jù)ASML制造業(yè)務高級經(jīng)理Pete Mayol介紹，他負責這個生產(chǎn)EUV光源的潔凈室已經(jīng)六年了。下圖中的設備上部就是儲存“錫”的地方，下方則是噴射“錫滴”的噴嘴。

“如果任何一種有缺陷的顆粒出現(xiàn)，甚至出現(xiàn)在毛細管的頂端，那就意味著失敗。我們將移除并重新開始。”Pete Mayol說到。

△噴射“錫滴”的噴嘴

ASML公布資料顯示，一部EUV光刻機的長度超過10米、高度達2層樓的EUV，每臺有超過10萬個零件，加上3000條線纜、4萬個螺栓及2公里長的軟管等零組件，最大重量達180噸。

其中的7大模塊，每個模塊則是由ASML全球六個生產(chǎn)基地之一制造（涵蓋了全球60個工廠），然后運送到荷蘭Veldhoven進行測試總裝，然后再將其拆開裝運，需要20輛卡車或3架滿載的波音747飛機。

需要指出的是，ASML的EUV光刻機的10萬多個零件，涉及到來自超過40多個國家的5000多家供應商。機器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和零部件極為復雜，對誤差和穩(wěn)定性的要求極高，并且這些零件幾乎都是定制的，90%零件都采用的是世界上最先進技術(shù)，85%的零部件是和供應鏈共同研發(fā)，甚至一些接口都要工程師用高精度機械進行打磨，尺寸調(diào)整次數(shù)更可能高達百萬次以上。

雖然在DUV光刻機領域，除了ASML之外，還有尼康和佳能這兩家供應商可以選擇，但是在EUV光刻機領域，ASML一直是唯一的選擇。

“我們對客戶來說是獨一無二的，就像我們的一些供應商對我們來說是獨一無二的一樣。有些人說，那些幾乎共生的關系比結(jié)婚更糟糕，因為你不能離婚。”溫寧克說到。

自2020年四季度以來，全球爆發(fā)了全面的“缺芯”危機，促使眾多的晶圓制造商開始積極的擴產(chǎn)以提升產(chǎn)能，而這些廠商大都需要采購ASML的光刻機。為此ASML也在努力的提升產(chǎn)能，但是ASML的供應商同樣也遇到了缺芯問題。

“我們收到了很多來自供應商的信息，他們說，‘嘿，我們可能會延遲向你們交付模塊，因為我們無法獲得芯片。’同樣對于我們來說，如果我們不能得到芯片，我們也就不能制造更多的機器來制造更多的芯片。所以這里有一個陷阱。我們還在努力，祈禱好運。但這是一場持久的斗爭。我認為ASML的產(chǎn)能未來會跟上需求，也許增長甚至會超過他們的目標，這是可能的。”

溫寧克進一步指出：“世界需要更多的芯片，所以我們需要制造更多的機器。雖然我們的機器的平均售價會持續(xù)增長，但是我們能夠持續(xù)降低單位晶體管的制造成本，這正是我們過去38年來一直在做的事情。在接下來的幾十年里，我們將繼續(xù)這樣做。”

根據(jù)財報數(shù)據(jù)顯示，在2021年，ASML出售了42臺EUV機器，使其ASML光刻機的EUV光刻機總出貨量達到140臺左右。

由于EUV光刻系統(tǒng)中使用的極紫外光波長（13.5nm）相比DUV 浸入式光刻系統(tǒng)（193 nm）有著顯著降低，多圖案 DUV 步驟可以用單次曝光 EUV 步驟代替。可以幫助芯片制造商繼續(xù)向7nm及以下更先進制程工藝推進的同時，進一步提升效率和降低曝光成本。

自2017年ASML的第一臺量產(chǎn)的EUV光刻機正式推出以來，三星的7nm/5nm工藝，臺積電的第二代7nm工藝和5nm工藝的量產(chǎn)都是依賴于0.55 數(shù)值孔徑的EUV光刻機來進行生產(chǎn)。

目前，臺積電、三星、英特爾等頭部的晶圓制造廠商也正在大力投資更先進的3nm、2nm技術(shù)，以滿足高性能計算等先進芯片需求。而3/2nm工藝的實現(xiàn)則需要依賴于ASML新一代的高數(shù)值孔徑 (High-NA) EUV光刻機EXE:5000系列。

而現(xiàn)有的0.33 數(shù)值孔徑透鏡的 EUV 光刻系統(tǒng)的分辨率為 13 納米，使得芯片制造商能夠生產(chǎn)3/2nm及以下更先進制程的芯片，并且圖形曝光的成本更低、生產(chǎn)效率更高。

但是，High NA EUV光刻系統(tǒng)造價相比前代的EUV光刻機也更高了，達到了3億美元。

在此次CNBC的采訪當中，ASML似乎也是首次公開展示了High NA EUV光刻系統(tǒng)EXE 5000。不過，ASML并未介紹更多的細節(jié)信息。但從外形來看，High NA EUV光刻系統(tǒng)要比前代的EUV光刻系統(tǒng)高度更高。

△High NA EUV光刻系統(tǒng)EXE 5000

值得注意的是，ASML總裁兼CEO溫寧克透露，在2021年第四季度，ASML獲得的價值為70.50億歐元的新增訂單當中，0.35 NA EUV光刻系統(tǒng)和0.55 NA EUV光刻系統(tǒng)的訂單金額就達到了26億歐元。

溫寧克表示，ASML在2021年第四季度收到了一份TWINSCAN EXE:5000的訂單。自2018年以來，ASML已經(jīng)收到四份TWINSCAN EXE:5000的訂單。

據(jù)了解，EXE:5000主要面向的是3nm工藝，而第二代的0.55 NA EUV光刻機TWINSCAN EXE:5200將會被用于2nm工藝的生產(chǎn)。

據(jù)溫寧克透露，在2022年初，ASML已收到了下一代的TWINSCAN EXE:5200的第一份訂單（來自英特爾），這標志著ASML在引入 0.55 NA EUV光刻的道路上又邁出了一步。

根據(jù)ASML的路線圖，TWINSCAN EXE:5000將會在今年下半年出貨，每小時可生產(chǎn)185片晶圓。而TWINSCAN EXE:5200將會在2024年底出貨，每小時可生產(chǎn)超過220片晶圓。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ASML工厂探秘：3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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