業(yè)界有種說法：“得芯片者得天下”，而光刻機(jī)對芯片制造工藝的進(jìn)步至關(guān)重要。光刻機(jī)被譽(yù)為半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠，其研發(fā)成本和制造難度巨大，高端的EUV光刻機(jī)更是光刻機(jī)中技術(shù)含量最高的設(shè)備。目前，全世界只有ASML（阿斯麥）一家廠商可生產(chǎn)EUV光刻機(jī)，EUV光刻機(jī)全球出貨量已達(dá)57臺。這種一家獨(dú)大的情況是否正常？其他廠商距離打破ASML高端光刻機(jī)的市場壟斷還有多遠(yuǎn)的路要走？
ASML在高端光刻機(jī)市場“一家獨(dú)大”
目前市場上主流的半導(dǎo)體用光刻機(jī)供應(yīng)商有荷蘭的ASML、日本的Nikon（尼康）和Canon（佳能），市場呈現(xiàn)“三分天下”的格局。相關(guān)人士告訴《中國電子報(bào)》記者，ASML在半導(dǎo)體高端光刻機(jī)市場一家獨(dú)大，且完全壟斷EUV光刻機(jī)的生產(chǎn)。相對而言，Nikon和Canon在半導(dǎo)體領(lǐng)域主要服務(wù)于中低端市場，先進(jìn)制程遠(yuǎn)落后于ASML，優(yōu)勢僅在成本。
從全球范圍來看，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年ASML、Nikon和Canon半導(dǎo)體用光刻機(jī)共出貨359臺。在半導(dǎo)體中低端市場，ASML占據(jù)34%的i-line光刻機(jī)市場份額；Nikon的市占率為18%；Canon則以49%的份額在i-line光刻機(jī)市場占據(jù)領(lǐng)先。ASML在KrF光刻機(jī)出貨量上以65%的比例占據(jù)絕對優(yōu)勢；Canon以34%的比例追隨其后；Nikon只占4%的KrF光刻機(jī)出貨量。
在半導(dǎo)體中高端市場，Canon已經(jīng)“不見蹤影”，ASML則以絕對優(yōu)勢“獨(dú)占鰲頭”，共出貨104臺ArF和ArFi光刻機(jī)，市占率分別為63%和88%，遠(yuǎn)高于Nikon的37%和12%。
在EUV光刻機(jī)的生產(chǎn)上，一直以來只有ASML一家公司能提供可供量產(chǎn)的EUV光刻機(jī)，因此ASML完全壟斷了EUV高端光刻機(jī)市場。ASML的“獨(dú)步天下”已眾所周知，但鮮為人知的是，在“戴上”EUV光刻機(jī)這頂“皇冠”之前，ASML也經(jīng)歷了很多關(guān)鍵事件。
記者從業(yè)內(nèi)人士處了解到，1991年ASML推出了PAS 5500，在光刻機(jī)領(lǐng)域一舉成名。2001年，ASML推出了TWINSCAN系統(tǒng)及雙工作臺技術(shù)，之后又發(fā)布了TWINSCANXT系列浸入式光刻機(jī)。2010年，ASML成功推出第一臺EUV光刻機(jī)樣機(jī)，成為了EUV光刻機(jī)的唯一廠商。
該業(yè)內(nèi)人士表示，推出PAS 5000、雙工作臺、浸入式光刻機(jī)和EUV光刻機(jī)四大里程碑事件使得ASML在光刻機(jī)領(lǐng)域的地位逐漸不可撼動。
打破ASML市場壟斷“道阻且長”
作為全球光刻機(jī)霸主，ASML已構(gòu)建了世界上最全面且最強(qiáng)大的光刻機(jī)供應(yīng)鏈體系，幾乎壟斷著整個光刻機(jī)，尤其是高端光刻機(jī)市場。ASML在光刻機(jī)市場的一家獨(dú)大，是否壓制了其他企業(yè)的發(fā)展空間？對此，中國電子科技集團(tuán)有限公司首席專家王志越告訴記者，作為EUV光刻機(jī)的唯一先入者，ASML在光刻機(jī)市場的一家獨(dú)大會使其他廠商發(fā)展空間受限。
在王志越看來，其他企業(yè)若想挑戰(zhàn)ASML的光刻機(jī)“霸主”地位，會面臨很大困難。王志越指出，第一，突破技術(shù)壁壘將會是一大挑戰(zhàn)。目前ASML掌握了EUV光刻機(jī)的核心技術(shù)，擁有核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件的知識產(chǎn)權(quán)，這種知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)布局體系壁壘很難突破。第二，ASML建立的技術(shù)相對成熟、合作關(guān)系緊密的供應(yīng)鏈具有排他性，因此進(jìn)入需要培育的可控供應(yīng)鏈和產(chǎn)品準(zhǔn)入市場是很困難的。
芯謀研究首席分析師顧文軍在接受采訪時(shí)也表示，ASML在高端光刻機(jī)市場的“一馬當(dāng)先”主要源于其長期的技術(shù)積累和與臺積電、三星等廠商的合作聯(lián)盟關(guān)系。其他廠商若想打破其壟斷，必須要有新一代技術(shù)的突破，且對市場化持續(xù)投入。
打破ASML高端光刻機(jī)的市場壟斷不僅需要鉆營EUV光刻機(jī)本身，還要提升其配套設(shè)備和材料的質(zhì)量。半導(dǎo)體專家莫大康表示，配套材料光刻膠有時(shí)會出現(xiàn)問題。EUV光刻機(jī)通過反光鏡利用反射光時(shí)，光子和光刻膠的化學(xué)反應(yīng)會變得不可控，在某些情況下會出現(xiàn)差錯，這是亟待解決的問題之一。此外，光刻機(jī)保護(hù)層的透光材料會存在透光率比較差的問題。光刻機(jī)精度的提高需要上面覆蓋一層保護(hù)層，而低質(zhì)量的材料會導(dǎo)致較差的透光率。
要想在EUV光刻機(jī)市場上占據(jù)一席之地，EUV光刻工藝的良率保障也必不可少。復(fù)旦大學(xué)教授周鵬此前在接受采訪時(shí)表示，對于先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中采用的EUV光刻，其良率直接決定了制程技術(shù)的成本，因此只有保障EUV的良率和精度，才有可能實(shí)現(xiàn)制程技術(shù)的突破。相關(guān)信息顯示，隨著業(yè)界制程走向10納米以下，全球只有ASML的EUV光刻系統(tǒng)能夠滿足更先進(jìn)制程的要求，因此其他廠商若想打破其壟斷，仍是“道阻且長”。
光刻機(jī)向更小工藝尺寸邁進(jìn)
從光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，作為光刻工藝的“實(shí)施者”，光刻機(jī)成為推動摩爾定律一路前行的核心設(shè)備，也伴隨著光刻工藝的演進(jìn)，朝向更小工藝尺寸邁進(jìn)。
光刻機(jī)內(nèi)部組件的種類繁多，包括透鏡、光源、光束矯正器、能量控制器、能量探測器、掩模版、掩膜臺等。其中，光源是光刻機(jī)最關(guān)鍵且最技術(shù)含量最高的部件之一，光刻機(jī)的工藝能力首先取決于其光源的波長，光源波長的縮小能夠提升光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)，使芯片制造朝更小制程前進(jìn)。
第一、二代光刻機(jī)分別將汞燈產(chǎn)生的g-line和i-line作為光源，光源波長為436納米和365納米，可滿足800～250納米制程芯片的生產(chǎn)。第三代光刻機(jī)為KrF光刻機(jī)，將波長為248納米的KrF準(zhǔn)分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點(diǎn)提升至180納米。第四代光刻機(jī)為ArF光刻機(jī)，光源為波長193納米的ArF準(zhǔn)分子激光。為克服技術(shù)障礙，光刻機(jī)生產(chǎn)商在ArF光刻機(jī)上進(jìn)行了工藝創(chuàng)新，最高可實(shí)現(xiàn)22納米制程的芯片生產(chǎn)。
在摩爾定律的“指揮棒”下，芯片的尺寸越來越小，ArF光刻機(jī)已無法滿足更小工藝節(jié)點(diǎn)的需求。為提供波長更短的光源，縮小工藝節(jié)點(diǎn)，第五代 EUV（極紫外）光刻機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。EUV光刻機(jī)將二氧化碳激光照射在錫等靶材上，激發(fā)出波長13.5納米的光子作為光刻機(jī)光源。光源的改進(jìn)顯著地提升了光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)。
此外，EUV光源效率也需要進(jìn)一步提升。“按工藝要求，光源效率要達(dá)到每小時(shí)刻250片，目前EUV光源率還達(dá)不到這個標(biāo)準(zhǔn)。”莫大康說。ASML總裁在IMEC線上論壇的講話中也表示，ASML計(jì)劃提高所有曝光工具每小時(shí)的晶圓數(shù)量。與此同時(shí)，他指出，EUV光刻機(jī)將繼續(xù)為ASML的客戶提高產(chǎn)量。ASML還將繼續(xù)提高EUV吞吐量，同時(shí)減少每個晶圓的總能量。
目前ASML在高端光刻機(jī)市場上一家獨(dú)大的狀況短期之內(nèi)難以改變。期待技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)能為后續(xù)進(jìn)入者提供發(fā)展機(jī)遇，使其在新一代技術(shù)的發(fā)展中尋求突破。