再次被争抢的光刻机，不可复制的ASML
? ? ? ?今日彭博社报道，美国正在推动荷兰政府禁止ASML向中国大陆出售包括DUV光刻机在内的设备，试图通过卡住芯片制造的“喉咙”来扩大其遏制中国大陆崛起的行动。
目前ASML已经无法向中国大陆出售其最先进的极紫外(EUV)光刻系统，单台售价高达1.6亿欧元(1.64亿美元)，因为它无法获得荷兰政府的出口许可证。
如果荷兰同意，这将大大扩大现在禁止进入中国大陆的芯片制造设备的范围和类别，这可能对从中芯国际到华虹半导体等中国大陆芯片制造商造成严重的冲击。
ASML CEO Peter Wennink今年早些时候曾表示，不希望禁止向中国大陆客户销售DUV光刻设备。截止发稿，ASML的美国存托凭证跌幅扩大到了8.3%，这是自2020年3月以来的最大盘中跌幅。
在半导体生产中，光刻机是核心设备，它不仅决定了芯片制造的工艺水平，而且是耗时最多、成本最高的一步，目前先进的7nm、5nm及接下来的3nm、2nm都需要EUV光刻机，一台这样的光刻机售价将近10亿人民币，但目前还是供不应求。
目前，荷兰的ASML公司可以生产光刻机，他们的产能将决定全球先进工艺扩张的速度，所以代工龙头台积电、三星半年以来也在因为争抢最先进光刻机打的不可开交。
不难看出，光刻机是如今半导体行业的命脉，那这个命脉为什么被ASML所掌控?
付出任何代价也要得到的光刻机
作为制造芯片最先进的设备，光刻机的先进程度直接决定了芯片的制程工艺。ASML发言人称，更高的光刻分辨率将允许芯片缩小170%，同时密度增加2.9倍。未来比3nm更先进的工艺将极度依赖高NA EUV光刻机。
随着芯片越来越精密，更高数值的孔径意味着更小的光线入射角度，也意味着能够用来制造尺寸更小、速度更快的芯片。三星、台积电都希望通过获得下一代EUV光刻机，从而在未来2nm技术竞争上占据优势。
争先恐后的巨头
近日，韩国三星电子副会长李在镕又马不停蹄奔赴欧洲，外媒报道，三星电子副董事长李在镕已结束与 ASML 公司的会谈，并就韩国三星引进下一代高数值孔径 High-NA EUV 光刻设备达成了协议。High-NA EUV 作为 ASML 公司的下一代光刻设备，与 EUV光刻设备相比，雕刻出的电路更为精细。而一台High-NA EUV 光刻设备的价格估计为 5000 亿韩元(约 25.85 亿元人民币)，是现有 EUV 光刻设备价格的两倍。尽管如此，三星也在试图购进多至10台机器，有韩国业内人士表示：如果三星采购 10 台 High-NA EUV 光刻设备，将花费超过 5 万亿韩元(约 258.5 亿元人民币)，因此政府可能会下场支持。
三星这么做，也是为了尽快追赶台积电。6月17日台积电举行的技术论坛上，作为晶圆代工龙头的台积电首次披露，到2024年，台积电将拥有ASML最先进的高数值孔径极紫外high-NA EUV光刻机，用于生产纳米片晶体管(GAAFET)架构的2nm(N2)芯片，预计在2025年量产。
尽管台积电业务开发资深副总经理张晓强称，台积电2024年还不准备运用新的高数值孔径EUV工具生产，引进的光刻机将主要用于与合作伙伴的研究，但台积电此次成功引进最先进的光刻机，无疑将进一步巩固自身在先进制程研发方面的领先地位。
老牌巨头英特尔哪能落后，甚至这次领先于台积电和三星。英特尔CEO基辛格为了能追赶台积电、三星，不止是投资入股ASML公司，还提早花高价订购EUV光刻机制造产能。英特尔说它将在 2025 年之前将这些机器投入生产，并且英特尔将是第一个收到该机器的公司。
光刻机市场独占鳌头
目前，全球光刻机市场的集中度极高，前三大厂商的市场份额占比达90%以上。从TOP3企业的竞争格局来看，2020年，荷兰ASML公司占比62%，出货量达到258台，力压尼康和佳能。
同时，从销售额来看，由于当前仅有荷兰ASML公司销售高端光刻机EUV(售价最高)，因此，ASML仍占据市场龙头地位，市场份额达91%。
以绝对优势成为光刻机霸主的ASML是怎么走到今天的呢?
逆风翻盘的行业霸主——ASML
光刻机的研发还起源于飞利浦研发主管Leo Tummers要求他手下的年轻工程师Frits Klostermann 制作一个芯片，当时的飞利浦没有做新品所需要的微光刻技术，所以Klostermann决定自己做一台新机器来完成这个任务。对于处于20世纪五六十年代的他们的来说，制作“光刻机”还是一个所谓“轻松”的任务，四处逛逛，任务是把一些晶体管、电阻、二极管和电容器等的元件连接整合到一小块晶圆上，这就是我们之后说的“芯片”。
与此同时，美国正在向新兴领域注入重金，其国防工业正在刺激其科学和工业领域同时将所有赌注都押在新技术上，芯片的的需求不断增加也将芯片生产设备的发展速度推向了极致。这也刺激了Klostermann当时所在的飞利浦物理实验室(简称Natlab)大力发展半导体。
Natlab的制造二极管和晶体管等半导体元件的技术都已成熟。Klostermann在探索集成电路的过程中得到了同事们的极大帮助，当Klostermann在公司购入现成的光刻机后还坚持自己开发自己的机器时，老板和同事依旧非常支持。
1966年，Klostermann获批制造他研发出的光刻机。Klostermann也在这 台光科技的基础上和Natlab同事共同走上了不停地研发光刻机的道路。
尽管Klostermann的光刻机在飞利浦的芯片工厂中取得了成功，但是Natlab很难为其光刻机找到客户，而且之后研发出的步进光刻机也是十分昂贵并且复杂，这些劣势很难让光刻机进入工厂工作。
飞利浦在光刻机上持否定意见。
从废料堆中救出来的光刻机
救出步进光刻机的这个人，也是在1976年之后的几十年里飞利浦的代表性人物——Wim Troost，他是在飞利浦管理团队会议上唯一一个表示对光刻机有研究兴趣的人。
创造奇迹的人就是不畏艰难、不顾亏损、坚持光刻技术研发的人，Wim Troost一次又一次地摆脱了技术、资金的困难，在20世纪70年代末，他带领的S&I有着7500万美元的收入和很高的利润，飞利浦说“希望用光刻技术征服世界”。
可悲的是，那个时候的世界，光刻机不受欢迎没什么市场。而当下的经济危机让飞利浦不堪重负，决定抛弃非核心业务，也就是光刻机。
1983年，飞利浦在经历了和3家公司谈判失败后，所有人都士气低落。而ASM在纳斯达克的成功上市，令飞利浦看到ASM这家公司。在飞利浦高层再一次明确必须放弃像光刻机这样的非核心业务后，必须抓住最后一次机会来挽救光刻机团队，阻止裁员的发生。
1984年，飞利浦和ASM成立合资企业ASML。
经济危机打击了当时的巨头，但奇迹般地给了ASML喘息的时间，让它有足够的时间来重塑其研发和生产部门，因为当时刚刚起步的ASML，走错了油压技术路线、装配厂也还根本无法生产真正的大订单。那时如果芯片设备市场特别好，而ASML却卖不出光刻机，那么ASML会立刻失败。
逆风后还是逆风
“等你卖了20台光刻机后，再回来找我谈。”
时任ASML CEO斯密特在加州一场世界一流的芯片设备展上备受打击，他到处宣扬飞利浦的光刻机项目起死回生了，但得到的反馈寥寥无几。当时的光刻机巨头是GCA和新崛起的日本尼康，装机量是所有人关心的关键指标，GCA和尼康已经达到数百台，而ASML还是零。
在加州的展会上，每个人都在谈论摩尔定律，谈论下一代机器——从大规模集成电路(LSI)到超大规模集成电路(VLSI)。
在未来几年内，芯片线路将缩小到1/1000毫米以下，光刻机处理的将不再是4英寸的晶圆，而是6英寸的晶圆。
随着这个转变，超大规模集成电路需要新一代光刻机，这种机器要能够将0.7微米的细节成像到晶圆上，并实现更紧密的微电子集成。然而还没有人找到制造这种光刻机的方法。这又给了ASML一个机会。
彻底革新
ASML面临抉择，到底是逐步改善现有技术，还是投入新的技术开发?ASML里程碑式的光刻机PAS 5500，就是在这样的抉择中诞生的。
如果选择逐步改善，目前基础上的技术路径很可能最终无法满足市场的新需求;如果选择是使用革命性的长冲程、短冲程发动机寻求突破，但研发会有风险。
ASML PAS 5500的首席架构师范登布林克没有直接做出决定，他决定在这两条路上分别试验6-9个月，两个团队分别在自己的技术路径上赛马。最后，技术竞赛证明旧H型晶圆台，有足够的潜力定位8英寸的晶圆，所以ASML选择了这条保险的路线。长短冲程发动机被暂时雪藏，但也可作为更新换代的备选方案。
经历了多年的苦心经营，ASML在步进扫描光刻机时代走到了巨头行列，当时的市场形成了三家独大的局面：ASML、尼康、佳能。其中ASML以绝对优势成为光刻机领域龙头，市场占有率一度达到91%。
不可复制的成功
有人会问，光刻机会盛极而衰吗?就像当年日本产的磁带录像机，系统之精密连美国人都难望其项背，但半导体存储器的出现立马判了磁带录像机的死刑。如今的光刻机也到了技术临界点，就像百米跑进9秒5，想提高0.1秒都要付出极大的代价。一旦出现新的技术、工艺，ASML会首当其冲被淘汰吗?
这可能就要谈到ASML的理念了，永远是与时俱进的，在行业都崇尚“独立完成所有”的时候，它就选择只进行研发和组装，并不什么都由自己制造。这就让ASML成为了一个集大成者，也成为了全球化的受益者。ASML 90%的零部件来自于外购，再由最理解客户需求和产业发展趋势的ASML集成。ASML的背后是美国、日本、欧洲、中国台湾、韩国的技术支撑，最终才能量产出极度复杂的EUV光刻机。所以即使是有了新的技术，也是整个行业的兴衰迭代，而且就像从飞利浦分裂出来一样，ASML有着极强的技术功底和适应能力，未来发展依旧可期。
回顾ASML的发展史，我们会看到无数个绝境，以及无数个绝境逢生，是很难，但办法总比困难多，对所有半导体的研究来说是如此。
对于中国来说同样如此，中国对于光刻机的研究同样需要解决无数问题。半导体行业对资金的需求本来就大，光刻机产业也不是一场可以速战速决的战争。摘下光刻机这个颗“明珠”，我们势在必行。
