从光刻机的发展，看懂ASML为何是不可取替

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2017-12-30 22:33    来源：半导体行业观察

阿斯麦(ASML.O)是全球最大的半导体光刻机设备及服务提供商，在细分领域具备垄断地位。总部位于荷兰费尔德霍芬(Veldhoven)，是飞利浦与 ASMI于 1984年合资创立，原称 Advanced Semiconductor Material LithographyHolding N.V.。 1995年公司在 NASDAQ与阿姆斯特丹交易所上市， 2001年更名为 ASML。

公司技术实力在光刻设备领域领先， 45nm以下的高端光刻机的市场中，占据 80%以上的份额，尤其在极紫外光(EUV)领域，目前处于垄断地位。在 2017年，公司营收达 67亿欧元，净利润 15亿欧元，员工总数约有 16,500人，其中研发超过 6,000人。

光刻设备是半导体关键制程，公司推动了行业技术演进。光刻(lithography)设备是一种投影曝光系统，由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导体制作过程中，光刻设备会投射光束，穿过印着图案的掩模及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上;通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路;此制程被一再重复，就能将数以十亿计的 MOSFET或其他晶体管，建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路。

晶圆光刻的工序流程

光刻决定了半导体线路的精度，以及芯片功耗与性能，相关设备需要集成材料、光学、机电等领域最尖端的技术，被誉为是半导体产业皇冠上的明珠。阿斯麦在行业中居绝对领先地位，占有中高端设备 8成的份额;其它主要光刻设备厂商为尼康与佳能，但因产品开发上不如阿斯麦具有灵活性，并且在浸没式光刻产品上错失关键时间点，目前市场份额大幅落后于阿斯麦，近年的研发投入与资本支出已经大幅落后，在先进制程上落后 1至 2代的技术能力。

晶圆的光刻工艺原理示意

双工作台与浸没式设备是发展转折点。公司在 1986时推出第一步进式(stepper)光刻机，提高掩模的使用效率与光刻精度，将半导体工艺制程向上提升一个台阶;在 2001年,公司推出采用双工作台的设备，能在硅晶圆在一个工作台进行光刻曝光时，同时将另一片晶圆在第二个工作台进行测量对位，大幅提高工作效率与对位精度，此一设计受到客户极大青睐，巩固了公司的市场地位;

光刻机示意图

而在 2007年，阿斯麦配合台积电的技术方向，推出了 193nm光源的浸没式系统，在光学镜头与硅晶圆片导入液体作为介质，在原有光源与镜头的条件下，能显著提升蚀刻精度，成为目前高端光刻的主流技术方案，一举垄断市场。尼康与佳能原本主推 157nm光源的干式光刻，但此一路线为市场所放弃，也成为这两家公司迈入衰退的重要原因。

阿斯麦的革命性产品

专注关键环节，研发投入与专业并购形成正向循环。阿斯麦的研发人员占比将近 4成，并累计 1万个以上专利。相较于尼康及佳能内部研发多数部件与技术的模式，阿斯麦推行部件外包与技术合作开发策略，专注于核心技术与客户需求，具有较高的方案弹性与效率;公司先后对光刻的细分领域龙头进行投资，其中包括在 2000年收购 Silicon Valley Group，扩展了在美国的研发团队与生产基地;在 2007年收购了美国的 Brion，强化了专业光刻检测与解决方案能力;在 2013年完成对紫外光源龙头 Cymer的收购，以及在 2016年取得光学镜片龙头德国蔡司 24.9%的股份，后两起对技术供应商的投资，加大了公司在极紫外光领域的领先优势。

近年营收稳健增长，

2017年进入高周期

在 2012-16年，由于半导体行业升级减速，设备行业出现低增长甚至衰退。公司营收增

速放缓，但仍维持在 10%左右的增长率。 2016年下半后， 14nm与 10nm制程陆续进入量产，公司浸没式的 DUV光刻设备需求持续强劲;同时公司推出的 EUV光刻系统，是 7nm以下制程的关键设备，成为一线晶圆厂的资本支出的重点。在 2016年，公司营收达到新高的 67亿欧元(+8.1%)，净利润 15亿欧元(+5.5%); 2017年 Q3销售金额 24亿欧元，同比增长 34.8%，全年营收增长率有望突破 25%，较 2015和 2016年不到 10%的增速水平有明显进步。

阿斯麦 2012-2016营收与利润(单位:百万欧元)

逻辑代工与存储行业为主要客户，受益于 3D存储市场蓬勃发展。公司在 2017年 Q3财报中指出，该年的主要营收贡献来自内存芯片客户; DRAM市场的终端需求强劲，公司的相关板块营收，预估将同比增长 50%，而来自逻辑芯片的营收，也可望增长 15%以上。此外，以 NandFlash为主的存储器件，市场需求持续强劲， 2017年 Q3存储相关的设备预订量，占公司总预订金额 77%，份额环比增长将近两倍，是近期公司拉升营收的关键因素。

2017Q3营收结构，以产品技术及终端应用拆分

具备全线光刻设备产品， EUV设备为高端产品刚性需求。公司的光刻设备，主要是TWINSCAN产品，按低端至高端又分为 XT、 NXT以及 NXE几个子系列。 XT系列是成熟的机型，具有干式和浸没式两种; NXT系列全部为浸没式，是主推的高端机型，以ArF和KrF激光光源，量产加工产量每小时可达 250片，为目前行业中高端主流设备。 XT与 NXT系列使用的是深紫外光(DUV， Deep Ultra Violet)，而 NXE系列使用最先进的极紫外光(EUV， Extreme Ultra Violet)。由于目前在 EUV领域，其他厂商仍处于研发或试用阶段，距离量产还有数年差距， NXE系列垄断 10nm以下的市场，可望帮助公司维持营收盈利的高增速。

阿斯麦单季营收高增长(单位:百万欧元)

在 2017年 Q3的收入结构中，季度营收 18亿欧元，其中 ArF浸没式光刻机 63%， ArF干式光刻机 2%， KrF光刻机 10%， EUV光刻设备 21%，检测设备及 I-line1%。 ArF和 KrF光源属于 DUV光刻设备，占据公司单季收入的 75%，是目前主要营收来源;在 2017年前三季，阿斯麦已售出 EUV设备 6台， ArF浸没式设备 56台， ArF干式设备 9台，KrF设备51台和 I-Line设备 19台，平均来说，中高端设备单台售价超过 7000万美元，高端 EUV设备单台售价超过 1亿美元。

2017年阿斯麦各类光刻产品售出情况光刻设备是半导体进化的重要推手

半导体产业链庞大，上游设备具备高技术门槛。整个半导体产业链主要包括 IC设计、晶圆制造、封装测试等环节，分为前段工序和后段工序，前工序以电路设计与晶圆加工为主，在硅片等介质上设计与制作集成电路(IC， integrated circuit);后工序以分割载有集成电路的晶圆片为起点，经过切割、封装和测试等工序，最终制成我们所见的芯片产品。

半导体的制作流程

半导体工序流程与技术复杂，缩减芯片尺寸需要行业整体投入。英特尔公司创始人之一 Gordon Moore在曾经提出，在同样成本下，在每一单位面积的硅晶圆上的晶体管数量，每隔 18-24个月就会增加一倍。 Moore的表述，符合往后数十年的行业发展状况，因此被称为摩尔定律(Moore’s Law)。如何缩减集成电路尺寸来改善散热效果与计算能力，提升相关的制程工艺与设备能力，成为半导体产业的共同目标。

半导体行业产业链及重点相关公司

随着半导体进入纳米制程，技术已经逼近材料特性与加工工艺的物理极限，摩尔定律已经逐渐失效，在 2012年，光刻技术缺少革命性的变化，摩尔定律开始出现速度趋缓的迹象，当年全球半导体产业营收出现了 2.6%的负成长，不复以往动辄两位数字的成长表现，并在2015年出现了 2.3%的负成长。

摩尔定律进展:单位面积的晶体密度(左)与 1美元能购买的晶体数(右)

业界除了将希望寄托在 EUV来改善光刻能力，同时也改善芯片堆叠结构，譬如鳍式场效电晶体(FinFET)与三维集成电路(3D IC)等技术。研究机构 International Business Strategies估计，当半导体制程走向 5纳米节点， IC设计成本将会接近 14/16纳米制程的三倍，业者需要大量的产品销售额才能回收投资。

芯片开发成本随着制程快速增加

半导体设备门槛日益加大，第一梯队高增长。由于研发成本与设备支出高昂，设备行业巨头在高端领域形成寡占。据 Gartner统计， 2016年全球半导体晶圆级制造设备，市场规模达 374亿美元，前 5大设备厂商占据了 67.6%市场份额。

2016年全球半导体设备市场份额(%)

观察前三大厂商在 2016年的经营表现，行业龙头应用材料 2016年营收超过 100亿美元，阿斯麦营收 71.5亿美元，拉姆研究 58.8亿美元。过去三年的净利润增速，阿斯麦落后与应用材料与拉姆研究，但营业利润率显较好(23%)。我们认为，这是由于公司在高端光刻设备领域接近垄断，支撑了产品议价能力。

光刻设备决定了晶圆的工艺能力

光刻是制作半导体线路的关键制程，决定了线路的精密度。光刻(lithography)设备是一种投影系统，这个设备由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导体制作过程中，光刻设备会投射光束，穿过印着图案的掩模及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上。通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路;此制程被一再重复，就能将数以十亿计的 MOSFET或其他晶体管，建构在硅晶圆上，形为一般所称的集成电路。

半导体制程越先进，光刻设备便需要越精密复杂，包括高频率的激光光源、光掩模的对位精度、设备稳定度等等，集合了许多领域的最尖端技术。因此光刻机被誉为半导体产业皇冠上的明珠，具有高度的技术与资金门槛。能生产高端光刻机的厂商非常少，以荷兰ASML、日本Nikon、和日本Canon三大品牌为主。德国SUSS、美国MYCRO、以及中国部分品牌，能提供低端的接触式与接近式光刻机;上海微电子(SMEE)也已研制出中端投影式光刻机。但到 14nm及以下制程，目前只有阿斯麦的设备被晶圆业者用来投入量产，独步全球。

光刻机的进化迭代

产品价格高昂但技术领先，成为一线晶圆厂首选。阿斯麦推行部件外包与技术合作开发策略，专注于核心技术与客户需求。从 2000年后阿斯麦推出双工作台设备后，逐步占据市场统治地位，无论是设备的精度水平与工作效率均具有全球领先水平;尼康与佳能的自有研发比重高，牵制了产品规划的灵活性。在先进制程落后阿斯麦之后，目前最大的优势仅在于

成本，许多同类机型价格是ASML的一半甚至更低。

但是在逻辑及存储芯片所使用的先进制程中，设备能力与生产效率往往是晶圆业者的第一考量，所以尼康与佳能的销售机型，集中在 KrF或低阶的 ArF光刻机，用于在精度要求不高的制程，譬如LED与面板领域的投影光刻机，以及芯片封装使用的后道光刻机。由于毛利较高产品线被阿斯麦所掌控，这两家厂商只能缩减研发费用，尼康的设备能力已经落后阿斯麦一个世代，佳能的产品进度还要更慢。

阿斯麦持续推动行业制程水平

阿斯麦是光刻技术的重要推手。最早的光刻机采用接触式曝光，掩模直接贴在晶圆片上来进行曝光，容易有制程污染与掩模寿命问题;后来的接近式光刻机，利用气垫在掩模和硅片之间制造微小空隙，但也影响了成像精度。一直到 80年代的扫描投影曝光，利用光学镜头来调整距离与改善成像质量，才能做到微米(μm)以下的精度。阿斯麦在 1986时推出步进式(stepper)光刻机，提高掩模的使用效率与光刻精度，将半导体工艺制程向上提升一个台阶。

同时在 2001年推出采用双工作台设备，大幅提高工作效率与精度，成为市占率大幅提升的关键。 2007年推出浸没式(湿式)系统，在原有光源条件下缩短光波波长，自此确立了在光刻设备的龙头地位。

光刻机的光源是核心， EUV是下一代光刻的利刃。光刻机使用的光源有几项要求:

有适当的波长(波长越短，曝光的特征尺寸就越小)，同时有足够的能量，并且均匀地分布在曝光区。

实现光刻进步的直接方法，是降低使用光源的波长。早期的紫外光源是高压弧光灯(高压汞灯)，经过滤光后使用其中的 g线(436 nm)或 i线(365 nm)。其后采用波长更短的深紫外光光源，是一种准分子激光(Excimer laser)，利用电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子，向基态跃迁时所产生激光，特色是方向性强、波长纯度高、输出功率大，例如 KrF (248 nm)、 ArF(193 nm)和 F2(157 nm)等。使用 193nmArF光源的干法光刻机，其光刻工艺节点可达 45nm，采用浸没式与光学邻近效应矫正等技术后，其极限光刻工艺节点可达 28nm。

主流光刻机的关键组成

首创双工作台，大幅提升生产效率。在 2000年前光刻设备，只有一个工作台，晶圆片的对准与蚀刻流程都在上面完成。公司在 2001年推出的 Twinscan双工作台系统，是行业的一大进步，使得光刻机能在一个工作台进行曝光晶圆片，同时在另外一个工作台进行预对准工作，并在第一时间得到结果反馈，生产效率提高大约 35%，精度提高 10%以上。双工件台系统虽然仅是加一个工作台，但技术难度却不容小觑，对工作台转移速度和精度有非常高的要求。阿斯麦的独家磁悬浮工件台系统，使得系统能克服摩擦系数和阻尼系数，其加工速度和精度是超越机械式和气浮式工件台。

双工作台光刻设备的构造示意图

浸没式光刻与二次曝光提升工艺能力，填补 EUV问世前的演进缺口。浸没式光刻是指在镜头和硅片之间增加一层专用水或液体，光线浸没在液体中曝光在硅晶片圆上;由于液体的折射率比空气的折射率高，因此成像精度更高。从而获得更好分辨率与更小曝光尺寸。

2002年业界提出了 193nm浸入式光刻的设备规划，由于 193nm的光谱在水中的折射率高达 1.44(折射率越高，蚀刻精度也越好)，等效波长缩短为 134nm，设备厂商只需对现有设备做较小的改造，就能将蚀刻精度提升 1-2个世代。阿斯麦首先推出 193nm的浸没式设备，效果优于 157nm光源的设备，成功将 90nm制程提升到 65nm，彻底打败选择干式蚀刻路线的尼康与佳能，是行业格局的重要转折。

到了 2010年后，制程工艺尺寸进化到 22nm，已经超越浸没式 DUV的蚀刻精度，于是行业开始导入两次图形曝光工艺，以间接方式来制作线路;即不直接曝光管线部分，而是先曝光出两侧管壁，间接形成线路区域。两次曝光虽然能制作比光源精度更高的集成电路，但副作用是光刻次数与掩模数量大增，造成成本上升及生产周期延长，所以波长更短、精度更高的光源，才是提升制程能力的关键。对于使用浸没式+两次图形曝光的 ArF光刻机，工艺节点的极限是 10nm。 EUV光刻机可望使工艺制程继续延伸到 7nm与 5nm。

浸没式光刻与二次图形曝光示意图

阿斯麦 EUV独步全球，

是近期核心驱动

半导体行业目前最大的瓶颈，在于摩尔定律的实现成本越来越大，制程微缩不再伴随晶

体管单位成本同步下降。在从 32/28nm节点迈进 22/20nm节点时，由于光刻精度不足，需使用二次曝光等技术来实现，设备与制作成本双双提高，晶体管的单位成本首次出现不降反升。

业界将希望寄托在极紫外光(EUV)微影技术，期望 EUV设备的高精度，能帮助厂商减少光刻的工序，提高 7nm以下的晶圆量产性。 2013年阿斯麦 EUV光刻设备研发成功，光源波长 22nm，技术逐步推进， 2017年的设备已采用最小 13nmEUV作为光源，超短波长使 7nm以下特征尺寸曝光得以实现。随着业界制程走向了 10nm以下，需要更高级的 EUV光刻系统，全球只有阿斯麦的 NXE系列能够满足需求。

先进制程复杂度与 EUV设备效益

EUV工艺聚集了多个领域的顶尖技术。 EUV要具备量产性，有几个技术瓶颈必须克服;首先在光源上。极紫外光的波长为 13.5nm，这种光容易被包括镜头玻璃内的材料吸收，所以需要使用反射镜来代替透镜;普通打磨镜面的反射率还不够高，必须使用布拉格反射器(Bragg reflector，一种复式镜面设计，可以将多层的反射集中成单一反射)。

此外，气体也会吸收 EUV并影响折射率，所以腔体内必须采用真空系统。为了解决 EUV的光源问题，2012年 10月，阿斯麦斥资 19.5亿欧元，收购其关键的光学技术提供商 Cymer，加速极紫外光(EUV)相关技术的开发。公司 2017年的 EUV设备 NXE 3400B，成功提高光源功率与精度，实现约 13纳米的线宽，并且采用磁悬浮系统来加速掩模及工作台，预期吞吐量可达每小时 125片晶圆，微影迭对(overlays)误差容许度在 3纳米以内。

EUV光刻与反射式镜头示意图

在以往 DUV时期，需要以多重光罩才能实现的 7nm制程，新型 EUV系统可望只要单一光罩步骤就可完成;但在 5nm或以下的制程，还会面临多次图形曝光的问题，仍需要提高下一代 EUV设备在光源以外的能力。为此，公司在 2016年以 11亿美元收购光学大厂蔡司(CarlZeiss)的 24.9%股份，并承诺 8.4亿美元的研发投入，联手研发数值孔径(numericalaperture， NA)高于 0.5的镜头。第二代 EUV微影预计要到 2024年后量产，届时计划实现约 8纳米的线宽，每小时处理 185片晶圆，迭对误差容许度小于 2纳米。

阿斯麦此次大手笔投资蔡司进行共同开发，显示阿斯麦对于下一代 EUV设备的必胜决心。巨头导入 EUV的进程不一，设备需求能延续 3年以上。全球半导体产业在进入 7nm制程世代之后，可望是台积电、三星电子、格罗方德三强对决局面。 2012年，三星和台积电分别向阿斯麦注资 5亿和 15亿欧元，以加强与公司的战略合作;

根据调研机构 Anandtech所汇集的各家路线图，台积电是最快到达 7nm工艺制程的厂商。台积电对外宣布，针对高速运算市场，量身打造人工智能与数据分析专用的平台，预估 2018年 H1就具备 7nm量产能力;紧接着在 2019年的第二代 7nm，导入阿斯麦的 EUV设备，并有望同年试产 5nm制程产品。其他厂家方面，三星则决定在 2018年第一代的 7nm就直接让 EUV技术上线;格罗方德则承袭IBM技术自行研发 7纳米，同样预计 2018年下半年量产，但第一代是使用DUV，而导入 EUV需要到 2019年。 Intel则因成本考虑，要到 2021年才开始用 7nm工艺接替 10nm制程。

主要晶圆厂商的先进制程路线

专注光刻扩大技术优势，

塑造刚性客户需求

公司技术优势明显，保持行业领先。公司在 2013年首次推出极紫外光设备 NXE 3300B，

但是精度与效率不具备 10nm以下制程的生产效益;直到 2016年后的 3400B，光学与机电系统的技术有所突破，极紫外光源的波长缩短至 13nm，每小时处理晶圆 125片，或每天可1500片;连续 4周的平均生产良率可达 80%，兼具高生产率与高精度。随着芯片尺寸不断缩小， EUV设备未形成行业刚需，目前全球一线的逻辑晶圆与存储晶圆厂商，均采购阿斯麦 TWINSCAN机型，其中英特尔、三星、台积电三大巨头，纷纷入股阿斯麦，以谋求其高端光刻设备共同开发与优先采购权。

EUV光刻机NXE3400B的构造示意图

由于公司的浸没式 EUV光刻设备，能帮助客户实行量产 7nm和 5nm的晶圆制程，并达到 2.5纳米的迭对精度，未来出货量可观。 2017年上半年，公司售出 2台 EUV设备， Q3单季度倍增到 4台;预计 Q4还有 6台交付，带来 3亿欧元单季收入，计划 2018与 19年均可出售超过 20台。

阿斯麦 EUV光刻设备 TWINSCAN NXE系列

整体而言，公司在 2017Q3单季营收 18亿欧元，前三大产品线为ArF(63%)， EUV(21%)， KrF(10%)。 3D NAND客户对于 KrF干式光刻系统的需求持续升高，目前相关设备的未出货订单已累积超过 20台，显示出公司由中端到高端的产品均居市场领导地位。

2016年 EUV设备生产效率和良率

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