業(yè)界有種說法：“得芯片者得天下”，而光刻機對芯片制造工藝的進步至關(guān)重要。光刻機被譽為半導體工業(yè)皇冠上的明珠，其研發(fā)成本和制造難度巨大，高端的EUV光刻機更是光刻機中技術(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，EUV光刻機全球出貨量已達57臺。這種一家獨大的情況是否正常？其他廠商距離打破ASML高端光刻機的市場壟斷還有多遠的路要走？
ASML在高端光刻機市場“一家獨大”
目前市場上主流的半導體用光刻機供應(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》記者，ASML在半導體高端光刻機市場一家獨大，且完全壟斷EUV光刻機的生產(chǎn)。相對而言，Nikon和Canon在半導體領(lǐng)域主要服務(wù)于中低端市場，先進制程遠落后于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半導體用光刻機共出貨359臺。在半導體中低端市場，ASML占據(jù)34%的i-line光刻機市場份額；Nikon的市占率為18%；Canon則以49%的份額在i-line光刻機市場占據(jù)領(lǐng)先。ASML在KrF光刻機出貨量上以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光刻機出貨量。
在半導體中高端市場，Canon已經(jīng)“不見蹤影”，ASML則以絕對優(yōu)勢“獨占鰲頭”，共出貨104臺ArF和ArFi光刻機，市占率分別為63%和88%，遠高于Nikon的37%和12%。
在EUV光刻機的生產(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，因此ASML完全壟斷了EUV高端光刻機市場。ASML的“獨步天下”已眾所周知，但鮮為人知的是，在“戴上”EUV光刻機這頂“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。2010年，ASML成功推出第一臺EUV光刻機樣機，成為了EUV光刻機的唯一廠商。
該業(yè)內(nèi)人士表示，推出PAS 5000、雙工作臺、浸入式光刻機和EUV光刻機四大里程碑事件使得ASML在光刻機領(lǐng)域的地位逐漸不可撼動。
打破ASML市場壟斷“道阻且長”
作為全球光刻機霸主，ASML已構(gòu)建了世界上最全面且最強大的光刻機供應(yīng)鏈體系，幾乎壟斷著整個光刻機，尤其是高端光刻機市場。ASML在光刻機市場的一家獨大，是否壓制了其他企業(yè)的發(fā)展空間？對此，中國電子科技集團有限公司首席專家王志越告訴記者，作為EUV光刻機的唯一先入者，ASML在光刻機市場的一家獨大會使其他廠商發(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“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，因此進入需要培育的可控供應(yīng)鏈和產(chǎn)品準入市場是很困難的。
芯謀研究首席分析師顧文軍在接受采訪時也表示，ASML在高端光刻機市場的“一馬當先”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高端光刻機的市場壟斷不僅需要鉆營EUV光刻機本身，還要提升其配套設(shè)備和材料的質(zhì)量。半導體專家莫大康表示，配套材料光刻膠有時會出現(xiàn)問題。EUV光刻機通過反光鏡利用反射光時，光子和光刻膠的化學反應(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，光刻機保護層的透光材料會存在透光率比較差的問題。光刻機精度的提高需要上面覆蓋一層保護層，而低質(zhì)量的材料會導致較差的透光率。
要想在EUV光刻機市場上占據(jù)一席之地，EUV光刻工藝的良率保障也必不可少。復旦大學教授周鵬此前在接受采訪時表示，對于先進技術(shù)節(jié)點中采用的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”。
光刻機向更小工藝尺寸邁進
從光刻機技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，作為光刻工藝的“實施者”，光刻機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，朝向更小工藝尺寸邁進。
光刻機內(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，光源是光刻機最關(guān)鍵且最技術(shù)含量最高的部件之一，光刻機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所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點，使芯片制造朝更小制程前進。
第一、二代光刻機分別將汞燈產(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)。第三代光刻機為KrF光刻機，將波長為248納米的KrF準分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點提升至180納米。第四代光刻機為ArF光刻機，光源為波長193納米的ArF準分子激光。為克服技術(shù)障礙，光刻機生產(chǎn)商在ArF光刻機上進行了工藝創(chuàng)新，最高可實現(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光刻機已無法滿足更小工藝節(jié)點的需求。為提供波長更短的光源，縮小工藝節(jié)點，第五代 EUV（極紫外）光刻機應(yīng)運而生。EUV光刻機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光源。光源的改進顯著地提升了光刻機所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。
此外，EUV光源效率也需要進一步提升?！鞍垂に囈?，光源效率要達到每小時刻250片，目前EUV光源率還達不到這個標準?！蹦罂嫡f。ASML總裁在IMEC線上論壇的講話中也表示，ASML計劃提高所有曝光工具每小時的晶圓數(shù)量。與此同時，他指出，EUV光刻機將繼續(xù)為ASML的客戶提高產(chǎn)量。ASML還將繼續(xù)提高EUV吞吐量，同時減少每個晶圓的總能量。
目前ASML在高端光刻機市場上一家獨大的狀況短期之內(nèi)難以改變。期待技術(shù)的持續(xù)演進能為后續(xù)進入者提供發(fā)展機遇，使其在新一代技術(shù)的發(fā)展中尋求突破。