光刻机市场的战争

本篇文章转自微信公众号TechSugar（ID:techsugar）作者：郭紫文

“如果我们交不出EUV，摩尔定律就会从此停止。”ASML首席执行官Peter Wennink于2017年如是说。作为全球唯一能够制造EUV光刻机的厂商，ASML的发展历程堪称传奇。这家企业自成立之初一无所有、处处碰壁，花费了17年才终于拿到了“金牌”。从步进式光刻机到浸润式光刻机，再到EUV光刻机，ASML的成功离不开一次次的正确抉择和冒险精神。

时间退回到20世纪60年代，距离ASML成立还有二十余年，集成电路已经在美国加州海岸发展得如火如荼。而在集成电路制造全部流程中，光刻是最为关键的一环。围绕光刻技术，David Mann（GCA子公司）、Perkin-Elmer等公司开始了最初的技术与市场积累。在荷兰飞利浦实验室终于开始研发光刻机时，David Mann已经开发出重复曝光光刻机，并将其推入了市场。

随着集成电路结构逐渐缩小，接触式光刻逐渐难以满足精度需求，光学光刻技术被认为是临时方案，而电子束、离子或X射线成像技术终将占领市场，产业正寻求光刻技术全新的突破。1970年代末，Perkin-Elmer凭借投影扫描光刻机获得了90%的光刻市场，一跃成为半导体行业最大的设备供应商。David Mann也迅速推出第一台步进光刻机，与前者展开正面博弈。

而在1971年，飞利浦虽率先开发出步进光刻机，但直至80年代初，该公司连一台能正常启动或运行的机器都没有制造出来。与之相对，同时期的Perkin-Elmer全球交付量已超2400台；GCA也销售了200台步进光刻机。正如《光刻巨人》扉页上描述的那样，荷兰飞利浦实验室制造出一台像印钞票一样合法赚钱的机器，而这台机器在未来二十年里除了吞噬金钱没有做任何事情。

CGA走入黄昏

如前面所说，1980年代初，美国的Prekin-Elmer和GCA主导着全球光刻机市场，日本的尼康、佳能也显示出强劲的发展势头。而荷兰的飞利浦却陷入了停滞状态，当该公司于1983年终于答应与ASM合作的时候，这头吞金巨兽已经严重拖累了飞利浦，其光刻机研发已经走到了穷途末路。

尽管ASM的救火让其光刻机业务得以继续，但成立之初的ASML缺的不仅是钱，还有光学器件和人才。由于产品不够成熟、缺乏市场知名度等问题，ASML第一台光刻系统PAS 2000的销量惨淡，连续多年仍面临巨额亏损。

在八十年代中期，ASML终于拉到蔡司作为光学器件供应商，全面优化了PAS 2000的光学系统，并于次年推出了PAS 2500。但此时的半导体市场却陷入了低迷，入不敷出的ASM不得不卖身自保，同时从ASML撤资。同样受到影响的还有GCA和Prekin-Elmer，由于新产品开发停滞不前，这两家曾经的巨头先后于1988年和1990年被General Signal和SVG收购。

PAS 2000光刻机（图源：《光刻巨人》）

1990年代，在飞利浦的投资下，ASML推出了PAS 5500，并凭借领先的分辨率吸引了关键客户，迈向了成熟的第一步。1995年，ASML于阿姆斯特丹和纽约证券交易所上市。而后几年，飞利浦也陆续出售了全部股份，ASML成为了一家完全独立的上市公司。

PAS 5500光刻机（图源：ASML）

光刻技术的岔路口

长期以来，摩尔定律被集成电路产业奉为圭臬，而进入1990年代，干式微影技术已经难以维系摩尔定律的演进，最终停滞在193nm波长的光刻技术上。业界逐渐开始寻求光刻技术的突破点，并进行了各种各样的尝试，其中不限于157nm F2激光、电子束投射(EPL)、离子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光等，但无疑都以失败告终。

针对光刻技术的创新，主要集中在如何降低曝光关键尺寸（CD）上，这就引出一个公式：CD=K1*λ/NA。从瑞利公式可以看出，曝光关键尺寸与波长、数值孔径以及制程因子三个参数有关。根据诉求，降低曝光关键尺寸，只需降低波长、增大数值孔径，或降低制程因子。

在光刻市场陷入僵局时，台积电林本坚博士提出了193nm浸润式光刻技术。原理很简单，在晶圆光刻胶上方加1mm厚的水，激光经过水的折射，波长直接从193nm降低至134nm。然而在当时，这项技术却被尼康、佳能等头部企业拒之门外，只有ASML选择与之合作。

2004年，ASML在台积电的帮助下成功研发出首台浸润式光刻机，并一举拿下了多家大客户的订单。浸润式光刻的出现无形当中宣判了干式微影光刻技术的死亡，在尼康终于攻克了157nm干式微影光刻技术的时候，其结果可想而知。随后，尼康也将目光转向浸润式光刻技术，但始终落后一程。也正是这次冒险的赌注，ASML彻底摆脱了以往的窘境。凭借浸润式光刻技术，ASML于2007年以60%的市占率超越尼康，成为光刻市场的领导者。

头号玩家的杀手锏

在业界寻求突破193nm光刻瓶颈时，EUV也是其中一个方向。然而受限于当时的技术水平，这项技术一直没能实现。从1997年成立到2003年解散，EUV LLC联盟集中全产业链之力，推进了EUV光刻技术的研究进程。ASML也有幸被选入其中。

联盟解散后，ASML仍坚持攻克EUV光刻技术，并于2010年终于将第一台EUV光刻机交付给台积电。此后，ASML凭借EUV光刻技术，逐渐成为光刻机市场不可撼动的霸主。2012年，英特尔、台积电、三星等厂商纷纷注资入股ASML，以支持其EUV光刻技术的改进与升级，从而换取优先供货权。

2013年之后，为加速EUV技术的发展，ASML不断进行并购整合，陆续收购了光刻光源制造商Cymer、电子束测量工具供应商HMI、荷兰高科技公司Mapper以及Berliner Glas集团等。聚焦EUV光刻领域，ASML于二十余年内投资超60亿欧元，并于2020年实现了EUV光刻机大规模量产。

在ASML公布的规划里，新一代EUV光刻系统正在紧锣密鼓地开发中，预计2023年开放原型试做机，2025年将大规模量产，并于客户工厂全面投入运营。面向3nm及以下工艺节点，新一代EUV系统将数值孔径从0.33提高至0.55，拥有更高的分辨率和吞吐量，突破了0.33 NA EUV芯片图案化与单次曝光的瓶颈。

EUV光刻机（图源：ASML）

国产光刻机启示

纵观光刻机发展历程，这项最精密复杂、难度最高、价格高昂的技术，在漫长的发展过程中，不断推动着摩尔定律的演进，让全球半导体产业为之前赴后继。然而高昂的研发成本与巨大的研发难度，让光刻技术一次次走向岔路口。从ASML的发家史便可以看出，从一无所有到光刻霸主，选择比投入更重要。

回顾中国光刻技术发展，1965年中国第一块集成电路问世，因此业界大胆推测，我国光刻技术的研发可以追溯至这一时间点前后。中国最早于1977年推出了接触式光刻机，而后于1985年研制出分步光刻机样机。1980年代之前，国内光刻市场乃至半导体产业的发展虽与国际有差距，但也是稳步前进的。

80年代中期，当全球光刻市场从美国向日本迁移时，国内开始奉行“造不如买”政策。在这样的形势下，中国的集成电路产业开始脱节，光刻技术的发展一度停滞不前，并迅速与国际形成巨大代差。直到2000年之后，大批海归回国创业，为国内半导体产业带来了丰富的经验和活力，光刻技术的研发重又步入正轨。国内涌现出一批聚焦光刻系统的企业，其中上海微电子于2007年成功研发了我国第一台90nm光刻机。

从当前进展来看，国内光刻技术还与国际水准相差甚远。而近年来，美国频频对中国的制裁施压，也对国内集成电路的发展造成了一定的影响。这个影响是两方面的，一方面对国内产业技术的发展有所掣肘，另一方面也加速了国产替代的进程。

对于我国光刻机产业而言，技术、人才、市场都是绕不开的坎，ASML的成功虽难以复刻，但也有很大的学习之处和借鉴意义。首先，对于光刻相关核心技术人才的培养很重要，也很关键。其次，对于光刻系统涉及技术及零部件，应该形成更加分明的产业分工。不仅要重视光刻技术，还需重视供应链的完善。

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编辑：书羽