下一代EUV光刻機何時問世?

　　在過去的40年里，我們逐漸從個人電腦和移動設(shè)備時代進化到云時代，我們生活的幾乎每個方面都在網(wǎng)上存儲和管理。ASML CTO Martin van den Brink表示，數(shù)字化未來的下一步將是分布式智能，由通信、計算和人工智能的無縫集成驅(qū)動，所有這些趨勢都要求更高的計算能力，這反過來又加速了對更強大、更節(jié)能的微芯片的需求。

　　隨著芯片工藝制程的不斷演進，芯片的制造變得越來越復(fù)雜。當今最先進的處理器基于Logic N5節(jié)點(5nm)，包含數(shù)十億個晶體管。下一代芯片設(shè)計將包括更先進的材料、新的封裝技術(shù)和更復(fù)雜的3D設(shè)計。

　　而光刻技術(shù)是制造性能更強大、成本更便宜芯片的推動力。ASML的目標一直是減少芯片工藝的臨界尺寸，其整體光刻產(chǎn)品組合(EUV、ArFi、ArF、KrF和i-line系統(tǒng)等)有助于優(yōu)化生產(chǎn)，并通過將光刻系統(tǒng)與計算建模、計量和檢測解決方案集成，幫助優(yōu)化生產(chǎn)并實現(xiàn)成本的降低。

　　半導(dǎo)體制造工藝(圖源：ASML)

　　光刻系統(tǒng)所能達到的分辨率是光刻收縮的主要驅(qū)動因素之一，它主要由所用光的波長和光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。更短的波長就像用于繪畫的更細的刷子，可以打印出更小的特征。更大的數(shù)值孔徑可以更緊密地聚焦光線，也能夠帶來更好的分辨率。

　　ASML光刻系統(tǒng)的發(fā)展一直是通過減少波長和增加數(shù)值孔徑來進行演進。多年來，ASML做了幾個波長步長，DUV光刻系統(tǒng)范圍從365 nm(i-line)， 248 nm(KrF)到193 nm(ArF)，而EUV光刻機的光波波長僅為13.5nm。

　　NA是光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，表示光線的入射角度。使用更大的NA透鏡可以打印出更小的結(jié)構(gòu)。除了更大的透鏡外，ASML還通過在最后一個透鏡元件和晶圓之間保持一層水薄膜來增加ArF系統(tǒng)的NA(所謂的浸泡系統(tǒng))。在波長步進到EUV之后，ASML正在開發(fā)下一代EUV系統(tǒng)，稱為EUV 0.55 NA (HighNA)，將數(shù)值孔徑從0.33提高到0.55.

　　TWINSCAN NXE:3600D是ASML最新一代EUV 0.33 NA光刻系統(tǒng)。與其前身TWINSCAN NXE:3400C相比，能夠提供15%至20%的生產(chǎn)力改進能力和約30%的覆蓋改進，支持5nm和3nm邏輯節(jié)點和領(lǐng)先DRAM節(jié)點的EUV量產(chǎn)。

　　年報中指出，EUV產(chǎn)品路線圖將幫助ASML在未來10年里實現(xiàn)設(shè)備價格合理的擴展。ASML的EUV 0.33 NA平臺擴展了客戶的邏輯和DRAM路線圖，使用EUV制造芯片有助于減少40%的關(guān)鍵光刻掩模量和30%的工藝步驟，幫助客戶顯著的減少了成本和周期時間。

　　有數(shù)據(jù)顯示，自EUV推出以來至2021年底，ASML的EUV光刻機生產(chǎn)了超過5900萬片晶圓，2020年底這一數(shù)字為2600萬片?？梢奅UV光刻機當前正處于快速起量階段，ASML預(yù)計，EUV的采用將繼續(xù)增長，到2024年所有先進節(jié)點芯片制造商預(yù)計將在生產(chǎn)中使用EUV。

　　下一代EUV 0.55 NA平臺將繼續(xù)為未來節(jié)點實現(xiàn)經(jīng)濟高效的擴展，具有更高數(shù)值孔徑的新型光學(xué)設(shè)計，有望使芯片尺寸減小1.7倍，進一步提高分辨率，并將微芯片密度提高近3倍。第一個EUV 0.55 NA平臺早期接入系統(tǒng)預(yù)計將在2023年投入使用，預(yù)計客戶將在2024～2025年開始研發(fā)，2025～2026年進入客戶的大批量生產(chǎn)。

　　光刻設(shè)備的“主力軍”

　　光刻系統(tǒng)本質(zhì)上是一種投影系統(tǒng)，光線投射到將要被打印的圖案上(稱為“蒙版”或“掩膜”)。通過在光中編碼圖案，系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)收縮并將圖案聚焦到光敏硅片上。在圖案印好后，系統(tǒng)輕微移動晶圓，在晶圓上制作另一份副本。

　　這個過程重復(fù)進行，直到晶圓被圖案覆蓋，完成晶圓的一層。為了制造一個完整的芯片，這個過程要一層一層地重復(fù)，把圖案疊加起來，形成一個集成電路(IC)。目前，最簡單的芯片有40層左右，而復(fù)雜的芯片可以達到150層以上。

　　當前，DUV光刻系統(tǒng)仍是業(yè)界的主力。DUV系統(tǒng)支持眾多的細分市場，在當今客戶設(shè)備中負責打印大多數(shù)層，并將在未來的設(shè)備中保持重要地位。

　　半導(dǎo)體行業(yè)目前使用的DUV分為浸沒式和干式光刻解決方案，i-line采用365 nm波長，KrF采用248 nm波長，ArF采用193 nm波長，這些系統(tǒng)有助于制造廣泛的半導(dǎo)體節(jié)點和技術(shù)，并支持行業(yè)的成本和節(jié)能擴展。

　　ASML的DUV浸沒式和干式系統(tǒng)在生產(chǎn)率、成像和覆蓋性能方面領(lǐng)先業(yè)界，可結(jié)合EUV技術(shù)大批量生產(chǎn)最先進的邏輯和內(nèi)存芯片，同時繼續(xù)為成熟節(jié)點和小批量應(yīng)用提供價值。

　　ArF浸沒式光刻在透鏡和晶圓之間保持一層水薄膜，增加NA并提高分辨率以支持進一步的收縮。ASML的浸沒系統(tǒng)適用于單曝光和多圖案光刻，可與EUV系統(tǒng)無縫結(jié)合，用于打印同一芯片的不同層。TWINSCAN NXT:2050i是ASML目前最先進的浸沒式系統(tǒng)，目前正用于5nm邏輯和第四代10nm DRAM節(jié)點的大批量生產(chǎn)。

　　然而，并非芯片上的每一層都需要最新和最大的浸入式光刻系統(tǒng)來生產(chǎn)，先進或復(fù)雜的層可以使用先進的光刻系統(tǒng)來打印，但其他層通?？梢允褂谩袄鲜健奔夹g(shù)，如干式光刻系統(tǒng)來打印。ASML的干式系統(tǒng)產(chǎn)品組合為客戶提供了各種波長的更經(jīng)濟的解決方案。

　　TWINSCAN NXT:1470是ASML最新的干式ArF光刻系統(tǒng)，提供每小時300片晶圓的記錄生產(chǎn)力，具有4nm覆蓋能力;TWINSCAN XT:86ON是新一代KrF系統(tǒng)，具有0.80 NA的分辨率，支持大容量200mm和300mm晶圓生產(chǎn)，以及低于110nm的分辨率;對于更關(guān)鍵的KrF層，0.93 NA TWINSCAN XT:1060K是其最先進的KrF光刻系統(tǒng)，在80nm及以下提供一流的分辨率和覆蓋。

　　ASML CEO Peter Wennink表示，我們今天看到的行業(yè)市場增長，不僅存在于最先進的節(jié)點上，許多分布式計算和存儲解決方案都需要成熟的光刻技術(shù)來制造。預(yù)計到2025年，ASML系統(tǒng)總銷量的三分之二將是EUV，其余將是DUV和計量檢測系統(tǒng)。這一預(yù)期比例低于我們在2018年的預(yù)測，但這并不意味著EUV市場出現(xiàn)萎縮，而是DUV和計量檢測市場比預(yù)計的增速更快。

　　未來的半導(dǎo)體動力是什么?

　　哪些因素正在塑造半導(dǎo)體行業(yè)的格局?推動當前和未來行業(yè)發(fā)展的主要趨勢是什么?

　　ASML認為，不斷增長的消費需求、全球人才競賽、地緣政治因素、擴大研發(fā)投資以及不斷變化的外部環(huán)境和采取行動應(yīng)對氣候變化等因素正在重塑半導(dǎo)體行業(yè)格局。

　　不斷增長的消費需求：無線通信、電信、媒體和云通過連接設(shè)備的融合繼續(xù)推動全球?qū)ο冗M半導(dǎo)體的需求，不斷增長的人口和城市化正在增加對先進消費電子設(shè)備的需求。芯片作為這些設(shè)備的核心，新興技術(shù)的不斷發(fā)展和要求正在成為芯片的重要增長驅(qū)動力。

　　全球人才競賽：擁有技術(shù)背景的高技能人才在勞動力市場上非常稀缺，競爭也在加劇。行業(yè)公司正試圖為增長增加人手，但高科技人才資源池卻很淺，該行業(yè)在爭奪一小部分具備開發(fā)創(chuàng)新解決方案技能的科學(xué)家、工程師和軟件開發(fā)人員。全球?qū)θ瞬诺臓帄Z正變得越來越關(guān)鍵。STEM職位的數(shù)量預(yù)計將大幅增長，但由于合格候選人的短缺，填補這些職位頗具挑戰(zhàn)性。留住人才已成為科技公司的關(guān)鍵。

　　全球地緣政治：目前的貿(mào)易環(huán)境給全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，貿(mào)易緊張和保護主義的加劇可能會繼續(xù)下去。這場全球蔓延的疫情提醒世界各國政府，全球供應(yīng)鏈可能會對服務(wù)、原材料和最終產(chǎn)品產(chǎn)生重大的地理依賴。

　　半導(dǎo)體在大型工業(yè)聯(lián)合體的成長和連續(xù)性中發(fā)揮著越來越重要的作用，各國政府已將注意力轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體供應(yīng)鏈以確保供應(yīng)充足，并計劃對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進行大規(guī)模投資。根據(jù)外部數(shù)據(jù)，美國、中國、歐盟、日本和韓國預(yù)計使該行業(yè)2021年的年度資本支出增加近一倍，達到1500億美元。除了財務(wù)方面的影響，貿(mào)易緊張和保護主義也給整個供應(yīng)鏈及其過程帶來了巨大的復(fù)雜性，迫使該行業(yè)重新審視其全球供應(yīng)鏈。

　　擴大研發(fā)投資：在快速發(fā)展的半導(dǎo)體行業(yè)中，獲取最新的技術(shù)、芯片設(shè)計和制造工藝是競爭的基礎(chǔ)。芯片制造商面臨的支持應(yīng)用和終端市場正變得越來越復(fù)雜，同時，隨著科技平臺公司逐漸轉(zhuǎn)向內(nèi)部芯片設(shè)計，傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司面臨著多元化投資組合的挑戰(zhàn)。

　　此外，執(zhí)行創(chuàng)新的增量成本正在上升，需要更高水平的研發(fā)投資來實現(xiàn)同樣的目標。讓產(chǎn)品更快地進入市場至關(guān)重要，否則芯片制造商將面臨錯失良機的風險。因此，盡快向客戶提供解決方案的壓力正在增加。

　　不斷變化的環(huán)境：為了利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G和自動駕駛汽車等大趨勢的融合，該行業(yè)正在大量投資于能夠釋放整個投資組合價值的資產(chǎn)。

　　全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近年來呈現(xiàn)出巨大的增長，預(yù)計這一趨勢將持續(xù)下去。該行業(yè)正重新聚焦于提高核心競爭力的技術(shù)和市場領(lǐng)域。集中在新興技術(shù)上的合并、收購和合資企業(yè)預(yù)計將成為芯片市場戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分。

　　采取行動應(yīng)對氣候變化：氣候變化在世界各地都是一個緊迫的問題。這是一項全球性挑戰(zhàn)， 半導(dǎo)體制造過程消耗了大量的能源和水資源。隨著摩爾定律的發(fā)展，芯片計算能力和存儲容量的提高會加大對這些資源的需求。為了提高能源和水資源的利用效率，需要新的設(shè)備和看待整個生態(tài)系統(tǒng)的新方式。為了迎接這些挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體行業(yè)必須降低功耗。

　　對此，ASML提到，由于DUV和EUV平臺具有通用性，因此可以更快、更具成本效益的進行創(chuàng)新、生產(chǎn)和維護。ASML正在對產(chǎn)品的能源效率進行投資，幫助降低生產(chǎn)晶圓所需的能源。此外，ASML還有一個致力于減少浪費的路線圖，與客戶和供應(yīng)商合作在其價值鏈中盡可能地重復(fù)使用零部件、工具和包裝，以防止不必要的浪費。

　　另外，從ASML對整個行業(yè)當前市場規(guī)模和市場機會的展望來看，不同細分應(yīng)用市場的驅(qū)動因素也正在塑造半導(dǎo)體行業(yè)的格局，成為當前和未來推動行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。

　　ASML業(yè)績增長背后

　　受全球芯片短缺、數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施加速和“技術(shù)主權(quán)”推動，導(dǎo)致市場對先進和成熟節(jié)點的需求強勁增長。2021年，ASML的凈銷售額創(chuàng)下了186億歐元的紀錄，比去年增加了46億歐元。

　　ASML CFO Roger Dassen表示，因為客戶繼續(xù)對先進和成熟節(jié)點的強勁需求，2021年邏輯系統(tǒng)的銷售額增長了22億歐元，增幅達30%;由于終端市場對服務(wù)器和智能手機的強勁需求，內(nèi)存系統(tǒng)銷售額增長了11億歐元，增幅達39%。

　　凈銷售額的增長是由ASML所有技術(shù)的強勁需求推動的。ASML在2021年成功出貨了42套EUV系統(tǒng)，包括26臺用于大批量生產(chǎn)的第一個NXE:3600D。這使得EUV系統(tǒng)在2021年的收入達到63億歐元，比2020年增加了18億歐元。

　　所有技術(shù)的強勁需求推動了凈銷售額的增長(單位：百萬歐元)

　　DUV系統(tǒng)銷量也從2020年的227臺增加到2021年的267臺。除了EUV和DUV的增長，服務(wù)和現(xiàn)場選擇的銷售也是ASML整體凈銷售增長的關(guān)鍵驅(qū)動力，這一增長是由生產(chǎn)率、覆蓋和升級包銷售的增長所驅(qū)動，這為快速增加晶圓產(chǎn)量提供了最有效和高效的方式，并得到了不斷增長的安裝基礎(chǔ)的支持。

　　為了滿足客戶對額外晶圓產(chǎn)能的需求，ASML加快了生產(chǎn)能力升級的交付，甚至在正常的工廠驗收測試(FAT)完成之前發(fā)貨，在客戶工廠完成驗收測試來加快系統(tǒng)的交付。

　　不難看到，正在進行的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和當前的芯片短缺進一步推動了ASML提高產(chǎn)能的需求，一方面，在數(shù)字轉(zhuǎn)換和分布式計算的驅(qū)動下，對先進和成熟節(jié)點的邏輯需求繼續(xù)強勁;另一邊，受服務(wù)器和智能手機終端市場需求的推動，內(nèi)存需求持續(xù)增長。為了滿足DRAM和NAND的強勁需求增長，客戶將增加產(chǎn)能并繼續(xù)進行節(jié)點遷移。隨著客戶遷移到更高級的節(jié)點，ASML預(yù)計EUV對內(nèi)存的需求會繼續(xù)增加。

　　2019-2021年ASML來自邏輯和內(nèi)存市場以及安裝基礎(chǔ)的營收數(shù)據(jù)(單位：百萬歐元)

　　在研發(fā)投入方面，2021年ASML的研發(fā)成本為25.47億歐元，相較于2020年22.08億歐元的投入，這些增加的投資涉及整體光刻解決方案的EUV、DUV和應(yīng)用程序項目，其中最重要的投資用于繼續(xù)加強EUV大批量生產(chǎn)的路線圖，以及EUV 0.55 NA的開發(fā)。

　　2020-2021年ASML研發(fā)投入(單位：百萬歐元)

　　ASML預(yù)計，受健康的邏輯需求和內(nèi)存市場增長的推動，預(yù)計2022年凈銷售額將比2021年增長約20%。預(yù)期的增長是由所有平臺的銷量增長以及安裝基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的增長所推動的：

　　邏輯芯片部分：不斷擴大的應(yīng)用空間和長期的增長動力轉(zhuǎn)化為對高級和成熟節(jié)點的強勁需求。隨著需求的持續(xù)強勁，預(yù)計邏輯系統(tǒng)的收入將同比增長20%以上;

　　內(nèi)存方面：隨著系統(tǒng)利用率的提高，結(jié)合客戶正在進行技術(shù)轉(zhuǎn)型，以支持預(yù)計的增長。預(yù)計還需要額外的產(chǎn)能增加，因此，2022年內(nèi)存市場對光刻設(shè)備的需求強勁，系統(tǒng)收入將同比增長25%左右;

　　EUV設(shè)備：隨著客戶對EUV的采用以及信心的增加，2022年預(yù)計將發(fā)貨約55個EUV系統(tǒng)(其中6個系統(tǒng)的收入將推遲到2023年確認)，預(yù)計2022年EUV系統(tǒng)的收入將增長25%。

　　非EUV系統(tǒng)：在DUV和應(yīng)用業(yè)務(wù)中，ASML預(yù)計浸沒式和干式系統(tǒng)都將增長，同時對計量和檢測系統(tǒng)的需求也將持續(xù)增長，預(yù)計非EUV出貨收入增長超過20%。

　　展望2025到2030年，近十年都將圍繞分布式計算，讓云更接近邊緣設(shè)備，通過連接，計算能力將為所有人提供“設(shè)備上”的計算能力，從而實現(xiàn)一個連接的世界。這些全球電子行業(yè)的大趨勢，在一個高度盈利和激烈創(chuàng)新的生態(tài)系統(tǒng)的支持下，預(yù)計將繼續(xù)推動整個半導(dǎo)體市場的增長。

　　這意味著先進節(jié)點和成熟節(jié)點對晶圓的需求都在增加，進而提升光刻設(shè)備的需求。根據(jù)不同的市場場景，ASML認為2025年有望實現(xiàn)240億～300億歐元左右的年銷售額，毛利率在54%～56%之間。

　　ASML市場預(yù)期(圖源：ASML)

　　ASML侵權(quán)“羅生門”

　　ASML年報中提到：“我們可能遭受惡意攻擊，包括第三方或自己的員工竊取公司的商業(yè)秘密、專有客戶數(shù)據(jù)、知識產(chǎn)權(quán)或其他機密信息。盡管我們努力保護知識產(chǎn)權(quán)，但未經(jīng)授權(quán)的第三方也有可能獲得、復(fù)制、使用或披露我們的專有技術(shù)、產(chǎn)品、設(shè)計、工藝和其他知識產(chǎn)權(quán)。2021年，我們獲悉與XTAL公司有關(guān)聯(lián)的一家公司——東方晶源，正在中國積極營銷可能侵犯ASML知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品?！?/p>

　　近日，針對“ASML稱東方晶源可能侵權(quán)”一事，東方晶源發(fā)布聲明稱，東方晶源自成立以來一直遵守中國法律法規(guī)、合法合規(guī)經(jīng)營。秉承獨立研發(fā)、自主創(chuàng)新的理念，東方晶源尊重、保護知識產(chǎn)權(quán)，并形成了獨立、完備的知識產(chǎn)權(quán)體系。盡管東方晶源的聲明沒有提到ASML公司，但意思很顯然是回應(yīng)及反駁。

　　據(jù)公開資料顯示，XTAL公司成立于2014年，由前ASML員工創(chuàng)立，2016年ASML對XTAL公司發(fā)起訴訟，2018年美國加州圣克拉拉聯(lián)邦法院初步裁決，XTAL盜竊知識產(chǎn)權(quán)罪名成立，2019年法院發(fā)出最終判決結(jié)果，ASML獲得勝訴，XTAL需賠償ASML 8.45億美元，ASML接手了已破產(chǎn)的XTAL的大部分知識產(chǎn)權(quán)。

　　荷蘭金融報紙Financieele Dagblad 2019年曾報道，中國員工從ASML竊取了企業(yè)機密，造成數(shù)億美元損失。報道稱，調(diào)查發(fā)現(xiàn)ASML美國子公司研發(fā)部門的高級中國員工竊取了技術(shù)，并最終泄露給了中國公司。

　　然而，ASML或許也不想擴大事端，2019年，ASML分別在其官網(wǎng)和上貼出官方聲明：“ASML并不認同‘中國間諜’說”。

　　據(jù)了解，東方晶源2021年公司完成28nm邏輯芯片關(guān)鍵工藝層良率硅片驗證結(jié)果優(yōu)異，持續(xù)突破技術(shù)壁壘，14nm計算光刻技術(shù)已就緒，首臺套EBI產(chǎn)業(yè)化成果顯著;公司于2021年度實現(xiàn)銷售額迅速攀升過億的“小目標”，接洽客戶近60家，涉及存儲、邏輯、第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域等眾多頭部客戶。

　　但根據(jù)產(chǎn)品的性能等級來看，東方晶源的產(chǎn)品其實還遠到不了威脅ASML的地步，但是，ASML此次在2021年年報中又提及此事，稱東方晶源可能與2018年因竊密而被判賠償?shù)腦TAL公司有關(guān)聯(lián)，且已經(jīng)提示自己的特定客戶不要協(xié)助或縱容東方晶源從事潛在侵權(quán)行為，同時也向中國相關(guān)機構(gòu)表達了自己的擔憂。

　　ASML稱正在密切關(guān)注這一事項，并準備在適當時機采取法律行動，但又并未提供更多證據(jù)。這種說法出現(xiàn)在財報中，實屬罕見。不免引人深思。