ASML全新光刻機剛出貨，尼康就要斷了英特爾三星台積電的命根

現在三星、台積電的10nm工藝都已經開始量產，英特爾預計在今年內量產其10nm工藝。

與此同時，7nm也早已被各家提上了日程。

不過隨著工藝的不斷提升，難度也是越來越大，不僅僅是設計上的問題，還包括生產設備上的問題。

目前要實現7nm工藝就需要用到EUV（極紫外）光刻機，而目前在這個領域，荷蘭的ASML無疑是老大。

光刻機三巨頭已成過去，Nikon和Canon走向沒落

光刻（Photolithography） 意思是用光來製作一個圖形（工藝）。

即在矽片表面勻膠，然後將掩模版上的圖形轉移光刻膠上的過程，將器件或電路結構臨時「複製」到矽片上的過程。

一般的光刻工藝要經歷矽片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。

而光刻機則是完成光刻的核心設備，也是集成電路晶片製造當中難度最高、最關鍵的核心設備。

提起光刻機，那麼我們就不得不提及光刻機三巨頭：荷蘭的ASML、日本的Nikon和Canon。

自從1978年，美國GCA公司推出了全球第一台光刻機之後，日本的光學設備巨頭Nikon便在光刻機市場迅速崛起，日本的佳能和荷蘭的ASML也是緊跟其後，很快市場上便形成了三強並立的局面，這三家廠商幾乎壟斷了整個光刻機市場。

其中尼康市的場份額長期都在50%以上，可謂是當之無愧的霸主。

不過在193nm光刻技術逐漸成為市場主流之後，Nikon和Canon的市場份額便開始加速下滑，ASML開始後來居上。

特別是2002年之後，193nm浸沒式光刻技術迅速成為光刻技術中的新寵，因為此種技術的原理清晰及配合現有的光刻技術變動不大，獲得了眾多廠商的應用（此前很多cpu使用的45nm、32nm工藝都是由193nm液浸式光刻系統來實現的）。

而ASML也憑藉其在193nm浸沒式光刻技術上的優勢一舉超越了Nikon和Canon。

目前193nm液浸式光刻仍然是應用最廣且最成熟的技術，能夠滿足精確度和成本要求，所以其工藝的延伸性非常強，很難被取代。

再加上新的EUV光刻技術的一再推遲，以至於隨後的22/16/14/10nm節點主要幾家晶片廠商也仍然繼續使用基於193nm液浸式光刻系統的雙重成像（double patterning）技術。

根據2007年的統計數據，在中高端光刻機市場，ASML占據大約60%的市場份額。

而最高端市場（例如沉浸式光刻機），ASML大約目前占據80%的市場份額。

可謂是絕對的龍頭。

尼康和佳能被徹底打殘，只能在低端市場苟延殘喘。

據業內人士稱，目前尼康和佳能的光刻機在技術上已經全面落後，唯一剩下的優勢就是價格。

比如尼康的光刻機同類機型價格還不到ASML的一半，同樣佳能的光刻機同樣也非常便宜。

但是，先進位程本來就是燒錢的，成本不在邊際考慮因素中，鑒於現狀， 各大晶片廠商的技術團隊是不能容忍採購團隊為了單純的省成本而去採購尼康或者佳能光刻機，所以ASML成為了多數廠商的首選項。

不過，尼康和佳能的光刻機仍然會有一定的市場，比如海力士在其低階的KrF光刻機上也偶爾會選擇佳能，因為DRAM的第一步etching環節根本沒有太高技術要求。

更為關鍵的是，三大主要的Foundry廠商——英特爾，三星和台積電在2012年前後都成為ASML的股東了。

而這也是尼康和佳能在光刻機市場持續走向沒落的一個關鍵因素。

2012年英特爾向ASML投資總計33.67億歐元，其中8.29億歐元用於450毫米晶圓和EUV極紫外光刻技術，25.38億歐元用於購買15%的股權。

一個月後，台積電也宣布投資2.76億歐元(3.44億美元)幫助ASML開發新技術，再拿出8.38億歐元購買5%的股權。

隨後，三星也投入也是2.76歐元)幫助ASML開發新技術，不過購買股權方面只花了5.03億歐元(6.28億美元)，換取了3%的股權。

全球最大的三個Foundry廠商都成為了ASML的股東，並提供大筆的資金資助其進行技術研發，同時也優先採用其光刻機產品，ASML在光刻機市場份額自然也是一路走高，並且在新一代的EUV光刻機上也取得了成功突破。

EUV技術成7nm量產關鍵

隨著工藝製程的不斷提升，電晶體越來越越小，電晶體密度也越來越大。

現在三星和台積電都已量產10nm工藝，但是進入7nm將會面臨更高的物理限制，半導體工藝提升需要全新的設備。

EUV極紫外光刻技術被認為是製程突破10nm之後的7nm、5nm工藝的關鍵。

相比常用的193nm沉浸式光刻來講，其能夠進一步縮小電晶體之間的距離，在同樣的面積下集成更多的電晶體數量以便提升性能。

前面提到，目前主流的光刻技術還是193nm液浸式光刻，雖然被廣泛應用，但是它的問題在於，隨著光波長的變小，光會被用來聚光的玻璃透鏡吸收，結果是光到達不了矽片，也就無法在晶圓上生成任何圖案，這也正是EUV光刻技術將取代它的原因。

在EUV光刻技術中，玻璃透鏡將被反射鏡取代以用於聚光。

EUV光刻技術早期有波長10～100nm和波長1～25nm的軟X光兩種，兩者的主要區別是成像方式，而非波長範圍。

前者以縮小投影方式為主，後者以接觸／接近式為主。

目前的EUV技術使用的是雷射等離子源產生的約13.5nm的紫外波長，這種光源工作在真空環境下以產生極紫外射線，然後又光學聚焦形成光束。

光束經由用於掃描圖形的反射掩膜版反射。

圖1展示了EUV的基本工作原理：雷射對準氙氣噴嘴。

當雷射擊中氙氣時，會使氙氣變熱並產生等離子體；一旦產生等離子體，電子便開始逃逸，從而發出波長為13.5nm的光；接著這種光進入聚光器，然後後者將光匯聚並照到掩膜上；通過在反射鏡的一些部分施加而其它部分不施加吸收體，在反射鏡上形成晶片一個平面的圖案的光學表示，這樣就產生了掩膜；掩膜上的圖案被反射到四到六個曲面反射鏡上，從而將圖像微縮，並將圖像聚投到矽晶圓上；每個反射鏡使光線稍微彎曲以形成晶圓上的圖像，這就像照相機中的透鏡將光彎曲以在膠片上形成圖像一樣。

整個工藝必須在真空中進行，因為這些光波長太短，甚至空氣都會將它們吸收。

此外，EUV使用塗有多層鉬和矽的凹面和凸面鏡——這種塗層可以反射將近70%的波長為13.5nm的極紫外線光，其它30%被反射鏡吸收。

如果沒有塗層，光在到達晶圓之前幾乎就會被完全吸收。

鏡面必須近乎完美，即使塗層中的小缺陷也會破壞光學形狀並扭曲電路圖案，從而導致晶片功能出現問題。

其實早在多年前，業界就希望通過EUV光刻技術來實現22/16nm的量產，但是直到最新的10nm依然還是用的193nm深紫外光（DUV）技術。

足見EUV光刻技術的難度之大。

EUV光市場，ASML獨領風騷

前面有提到2012年前後英特爾、台積電、三星都對ASML進行了資助，併入股成為了其股東。

ASML一共得到了13.8億歐元(17.22億美元)的研發資金，正好達到了最初的預期值，而通過出讓23％的股權換來了38.79億歐元(48.39億美元)，合計達到52.59億歐元(65.61億美元)。

而英特爾、台積電、三星之所以選擇資助和入股ASML其中一個原因就是為了推動其EUV光刻機的研發。

這也促使了ASML在2012年的時候就推出了試驗型EUV光刻設備NXE:3100，後續又推出了量產型NEX:3300B，2014年又推出了NXE 3350B。

目前各家主要在用的就是NXE 3350B。

但都難以達到EUV光刻的量產要求。

英特爾採購了數台NXE 3350B，台積電好像也有兩台（另外台積電此前已購買的兩台NXE 3300B也在ASML的協助下，升級到與NXE 3350B相同的水平），三星似乎也有，三星在2016年花費1.78億美元從ASML採購EUV設備（其中應該包括NXE 3350B和最新的NXE3400光刻機），不過目前全球總的NXE 3350B也就只有6套而已，可謂是僧多肉少，所以NXE 3350B EUV極紫外光刻機主要還是被用來進行7nm的相關測試和試產。

台積電日前就表示其7nm已在今年4月開始試產。

而作為NXE 3350B最資深的使用者，此前英特爾EUV小組專家就表示，雖然其可作業時間已經超過了70%，每天可以處理500-600個晶圓，相比去年的情況已經有很大改善，但這遠遠不夠量產水平。

並且一旦運行，光罩問題仍會層出不窮。

ASML公司EUV項目總監Frits van Hout此前也表示2016年年底達到應有的水平。

最新的好消息是，ASML最高端的EUV光刻機NXE 3400B已經開始出貨，雖然僅僅在Q1晚些時候才出貨了第一台（客戶應該是英特爾），而ASML收到的訂單已經累計達到了21台，總價值23億歐元，單價超1億歐，媲美一架F35戰鬥機。

根據目前的情況來看，英特爾、三星、台積電都希望在7nm工藝量產上採用EUV光刻技術（英特爾可能會用於其10nm工藝的量產）。

而ASML的NXE:3400B EUV光刻機則成為了他們能否實現量產計劃的關鍵。

當然，不管英特爾、三星、台積電圍繞著製程工藝如何競爭，ASML終究是最大贏家，因為他們誰也離不開他的EUV光刻機。

而且到了5nm及3nm節點，EUV可能還需要一次升級。

根據ASML近日公布的最新的財報顯示，一季度凈營收為19.4億歐元，毛利率47.6%，而它們所做的一切，不過是賣出數十台光刻機而已。

分別是深紫外光（DUV）微影、全方位微影（Holistic Lithography）和極紫外光（EUV）微影，前者主要用於10nm量產和7nm的研發，迄今累計裝機60多台。

真可謂是賺錢小能手。

尼康發難，ASML遭遇專利訴訟

ASML在光刻機市場可謂是春風得意，但是這也引起了老對手尼康不滿。

4月24日尼康通過其官網宣布，將在荷蘭、德國和日本起訴了ASML和其光學元器件供應商卡爾蔡司（ASML還在去年11月斥資10億歐元收購了卡爾蔡司24.9%的股權），尼康認為ASML和卡爾蔡司在他們生產的浸沒式光刻系統侵犯了尼康的11項專利技術，並要求他們立即停止光刻設備的銷售，並賠償相應損失。

尼康總裁Kazuo Ushida表示：「通過實質性的和持續的研發投入，尼康已經開發出了先進的光刻技術，包括浸沒式光刻技術，已經徹底改變了半導體行業。

半導體是在消費者電子設備的核心部件。

我們為我們的技術已經在推進全球信息社會中扮演的重要角色而感到驕傲。

我們堅信，ASML未經授權使用尼康的專利和最先進的技術，包括浸沒式光刻技術，這也使得ASML擴大了其光刻業務。

尊重智慧財產權是公平和健康的競爭的根本，是促進創新，為社會提供最先進的產品和服務的本質。

這就是為什麼我們決定開始這項訴訟。

」

對此，4月25日ASML對於尼康的指控進行了回應。

ASML認為Nikon的指稱缺乏依據，並稱將考慮採取所有可行的方案堅定地維護自己的權益。

ASML稱，早在2004年ASML和Nikon就簽訂了專利交叉授權協議。

其中一些專利是被永久授權的，另外一些專利的授權日期在2009年12月31日截止。

雙方同意互不採取法律行動的過渡期也在2014年12月31日結束。

ASML總裁兼執行長Peter Wennink表示：」尼康提起的訴訟是毫無根據和不必要的，會給整個半導體行業帶來不確定性。

在過去幾年中， ASML曾多次試圖與Nikon就交叉授權協議延展一事進行協商。

但尼康沒有為此做出任何真正的努力，反而選擇採取法律行動，對此我們感到極其失望。

我們仍相信雙方協商解決得到的結果對行業來說必然是更好的選擇，將推動行業的創新與合作。

而這類不必要的專利訴訟將導致行業無法集中精力在真正重要的事情上：即通過技術創新給晶片製造商提供更好的產品和服務。

我們雙方應該在市場上而不是在法庭上展開競爭。

」

從雙方的表述來看，ASML與尼康確實存在一些專利糾紛，而這部分專利主要是2004年雙方簽訂的專利授權協議當中已到期的專利授權。

作為光刻機領域曾經的霸主尼康，看著ASML不斷壯大超越自己，還日進斗金，自然是非常眼紅，利用專利來進行發難也並不意外。

尼康此舉或將如Peter Wennink所說的那樣，「會給整個半導體行業帶來不確定性」。

畢竟從目前來看，ASML可能確實有用到尼康的專利。

因此，尼康可能會向法院申請禁售ASML的光刻機，而法院可能會支持。

而這將會對於ASML的浸沒式光刻機的出貨產生不利的影響，甚至可能會影響到ASML的EUV光刻機的出貨，從而導致各家晶片廠商7nm工藝的量產推遲。

不過，作為ASML的股東，英特爾、台積電、三星應該不會坐視不理，必定會從中斡旋，最終雙方可能還是會走向和解。

不過，就不知道尼康的胃口有多大了。

作者：芯智訊-浪客劍

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