一台EUV光刻机凭什么能卖12亿元?

36氪的朋友们 · 2020-10-19
EUV光刻机的知识产权基本被美国垄断了。

编者按:本文来自微信公众号“魔铁的世界”(ID:jiangpeiyu0916),作者 魔铁,36氪经授权发布。

在几年前,可能很少有人知道什么是光刻机,但现在,随着芯片成为热门话题,光刻机的话题也爆热起来。其中,最引人注目的是光刻机天文数字般的价格。

10月14日,ASML总裁兼首席执行官Peter Wennink在介绍公司三季度业绩时,说:“我们第三季度的新增订单达到了29亿欧元,其中5.95亿欧元来自4台EUV设备。”由此估算,一台EUV光刻机的售价高达1.48亿欧元,折合人民币11.74亿元。

这个价格有多贵呢?按波音公司2014年产品目录公布的价格,一架波音B787飞机的零售价为2.571亿美元,按现在的汇率计算,大约合人民币17.3亿元人民币。

也就是说,一台EUV光刻机的售价可以买大约0.68架波音B787飞机。

问题来了,EUV光刻机凭什么值这个价?这需要从光刻机在芯片制造中的地位,EUV光刻设备的技术含量,以及全球光刻市场的形势说起。

.光刻机相当于照片洗印机.

苹果刚刚发布的iPhone 12搭载的A14芯片,集成了118亿个晶体管,每个晶体管的大小都是原子级别的。换句话说,你随手从头上拔下一根头发,其横截面上就可以容纳20多万个A14芯片的晶体管。

如此微小的晶体管,一般显微镜已经很难看清楚,而要制造它们,只能靠光刻(Lithography)设备,俗称光刻机。在半导体制造过程中,光刻机会投射光束,穿过印着图案的光掩膜版和光学镜片,将芯片的线路图曝光在涂有光刻胶的硅晶圆上,然后通过蚀刻曝光或没有曝光的部分来形成沟槽,再进行沉积、蚀刻、掺杂,从而制造出不同材质的线路,最终形成集成电路,封装测试后就是我们平常见到的芯片。

简单说,光刻机的作用就是将光掩膜版上设计好的集成电路图形,通过光线曝光,转移到硅片上。在这一过程中,光刻机相当于一台照片曝光洗印机,负责把底片(光掩膜版)上的图案,曝光并转印到相纸(硅晶圆)上,得到最终的照片(芯片)。

实际上,在仙童半导体时期,“硅平面制造工艺”刚发明时,采用的“光刻机”就购买自照相器材商店的洗印设备,然后加以改造而成。集成电路工艺发明人、英特尔创始人罗伯特.诺伊斯还磨制过“光刻机”的镜头。

经过数十年的发展,集成电路越来越复杂,元器件越来越微小,晶体管栅极氧化层厚度最薄只有几纳米,比最小的圆环病毒(直径17纳米)还小。相应地,光刻机也变得越来越精密复杂,曝光环境从通常的环境,演变为EUV光刻机需要的苛刻的真空。汇聚或改变光线的镜头,也从各种光学玻璃,发展到目前只能采用由Mo/Si及Mo/Be等多层膜构成的复杂反射镜,以配合EUV光刻机的特殊要求。(详见下图)

结果就是,光刻机从可以手工改造的普通设备,逐渐变成集成电路产业皇冠上的明珠,研发的技术门槛和资金门槛高到令人望而生畏。

.EUV光刻技术研发拼举国之力.

光刻机之所以被称为集成电路产业皇冠上的明珠,是因为集中了目前人类在电子、光学、精密机械和控制领域的最尖端知识,它的主要系统包括曝光光源、光学系统、电系统、机械系统和控制系统,每个系统既要超高精密,又要完美配合,因此对制造和装配技能有极高的要求。

这其中,光学系统是光刻机的核心,因此,可以按光源划分光刻技术的不同发展阶段。自20世纪50年代以来,光刻技术经历了紫外全谱(可见光)、g线(波长436nm)、深紫外(DUV,波长193nm)、极紫外Extreme Ultraviolet,简称EUV,波长13.5nm)等五个阶段。

光刻技术每提升一个阶段,采用的光源波长就下降一个档次,刻出的集成电路图形也更精细,同样硅片上容纳的晶体管就更多,功耗更低,性能也更强大。

由于集成电路图像分辨率和光刻机光源的波长呈负相关关系,波长越短,图像分辨率越高,因此采用不同光源的光刻机都有自己的分辨率极限。目前尼康和ASML的高端光刻机采用DUV光源,能实现的晶体管特征线宽不能低于10nm,10nm以下需要ASML的采用EUV光源的旗舰光刻机,即市场俗称的EUV光刻机(见下图)。

前一段时间,市场曾有“7nm+”的说法,由于是采用DUV光刻机生产,因此并不是真正的7nm,而是10nm制程工艺的改良版。

说到光刻机的技术含量,其实就是在说它的研发难度。而光刻机的售价,又往往和它的研发难度挂钩。前面说的ASML的EUV光刻机敢卖出0.68架波音B787飞机的高价,和EUV光刻技术研发难度有一定关系。

EUV光刻技术的研发最早始于1996年之前,1999年EUV光刻技术被国际半导体技术发展路线图(ITRS)确定为下一代光刻首选技术,之后,美国、欧洲、日本和韩国纷纷介入,期望在未来先进半导体制造中占据制高点。

其中,美国参与EUV光刻技术研究的超过50个单位,包括国家实验室、大学、科技公司等,比较知名的有英特尔联合AMD、摩托罗拉、美光、Infineon和IBM成立EUV光刻技术研发联盟。欧洲下注最大,超过35个独立国家、大约110个研究单位,参与到EUV光刻技术研究中。

日本起了个大早,EUV光刻技术研究始于1998年,却赶了个晚集,到2002年6月才成立EUV光刻技术系统研究协会。

韩国在工商能源部(MOCIE)的支持下开展EUV光刻技术研究, 主要参加单位有 KERI (韩国电子研究社)、汉阳大学、韩国国民大学、三星浦项(Samsung Postech)、首尔大学等。

简单说,在EUV光刻技术的研发中,选手们拼的是举国之力。

经过20余年的角逐,最终在竞赛中胜出的是美国,掌握了绝大部分知识专利,欧洲荷兰的ASML则通过参与系统集成,进入到EUV光刻产业链条。这也是ASML出口EUV光刻机,需要美国出口许可,而出口DUV光刻机则无需美国点头的原因,毕竟EUV的知识产权基本被美国垄断。EUV光刻技术研发的详细内容,可以参考文末的《EUV光刻技术隐秘往事》。

.市场垄断得水泼不进.

EUV光刻技术类似于飞机发动机,既看基础研发实力,又要拼敢烧钱,还要屁股能坐得住,耐得住寂寞。正因为条件苛刻,所以仅美国、欧洲、日本和韩国等少数发达国家和地区愿意参与,很多国家和地区根本就不敢玩。

参与EUV光刻技术研发的玩家少,修成正果的仅有美国一家,最后推出EUV光刻机的厂家又仅为ASML,超高端光刻机的市场已经变成事实上的垄断市场,这也造成了一台EUV光刻机敢卖12亿元人民币,有钱还不一定买到的原因。

事实上,整个高端光刻机的市场都是ASML的菜。芯思想研究院(ChipInsights)的统计表明,超高端的EUV光刻机,高端的ArF、ArFi光刻机,在2019年共出货154台,其中ASML出货130台,占了整个市场的84%。感觉这个份额有点过分?其实ASML的市场份额已经下跌了,要知道在2018年它占据的市场份额可是90%。

对数据具体分析的话,会发现光刻机市场已经是垄断得水泼不进。EUV光刻机市场,ASML独占100%份额;ArFi光刻机市场,ASML市占率高达88%;ArF光刻机市场,ASML占据63%市场份额;KrF光刻机市场,ASML还是占据63%的市场份额。在中端的i线光刻机市场,ASML把能吃的蛋糕也都吃下了。

ASML吃干抹净,搞得市场上的其它玩家只能抢点渣渣。2019年,Nikon、Canon的总营收大约为248.04亿元人民币。要知道,Nikon、Canon可是全球前三的光刻机巨头,尤其Nikon,从上世纪80年代到2004年,一直是全球光刻机市场的大哥,只因在193nm的ArF光刻机研发上,点错了科技树,加上美国对日本半导体产业的强力防范,把Nikon踢出了EUV光刻技术研发联盟,仅接纳了ASML,结果Nikon被ASML超越,并被挡在了EUV光刻机的大门之外,成就了ASML的全球光刻机大哥的地位。相关内容可以阅读文末的《阿斯麦封神记》。

.光刻机的饭碗不好端.

现在,Nikon在光刻机市场的日子不好过,为了表白技术含金量,甚至将ArF液浸式光刻机描述成可用于5nm量产工艺制程的机器(见下图)。

但ArF光源的波长为193nm,采用液浸式曝光后,芯片晶体管的特征尺寸最多达到10nm,说5nm只能算是一种市场宣传策略,不能据此认为DUV光刻机能完成EUV光刻机的作业,否则ASML EUV光刻机12亿元的售价会马上雪崩。

但对ASML来说,坐在大哥的位置上,想端好光刻机这个饭碗也并不容易,因为光刻设备市场容量太小。在半导体产业还在旭日东升时,半导体厂家有数百家,对光刻机厂家来说,等于有数百个客户,吃饭还相对容易。

后来随着全球半导体厂家的破产、兼并重组,尤其台积电的无晶圆商业模式崛起,使英伟达、高通、博通等芯片设计商放弃自建晶圆厂,光刻机客户也持续减少。

此外,随着日本DRAM产业衰落并逐渐团灭,又加剧了光刻设备市场容量的进一步缩水,光刻机厂家吃饭越发不易。在2000年到2003年4年间,全球光刻机的销量从1083台萎缩到350台,销售额从60亿美元腰斩为30亿美元。

即使到2019年,全球光刻机的总销量也仅为550台,远远没有恢复到2000年的销量水平。

市场蛋糕缩小了,大客户还集中到英特尔、三星、台积电、格罗方德等厂家,一只手都能数过来,如果任意一个大客户跳单,光刻机厂家都难以承受。在ASML和Nikon大战时,因为英特尔和台积电支持ASML的液浸式光刻机,导致全球光刻机市场洗牌,ASML超越Nikon上位。

因此,客户少而集中对光刻机厂家来说,研发新的光刻机风险太大了,弄不好就是血本无归。前面说过,Nikon仅仅点错了液浸式光刻机的科技树,就被ASML挑翻在地,而ASML因为加入了美国的EUV光刻技术研发联盟,就100%垄断了EUV光刻机市场。

换句话说,对后发国家来说,高端光刻机尤其是超高端的EUV光刻机,如果没有国家力量的介入,仅靠企业自身,没有谁敢斗胆冲进去。

对我国半导体产业来说,如果高端光刻机研发不能突破,那么一台EUV光刻机卖12亿元人民币,而且有钱还不一定买到的现实就很难改变。

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