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阿斯麦 (ASML.US)的光刻机霸主之路

2019年09月14日 13:18来源:网络
责任编辑:第一黄金网
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本文源自“半导体行业观察”微信公众号,原文标题《阿斯麦的光刻机霸主之路》。半导体制造产业中,光刻机是核心设备,对芯片的工

本文源自“半导体行业观察”微信公众号,原文标题《阿斯麦的光刻机霸主之路》。

半导体制造产业中,光刻机是核心设备,对芯片的工艺制程起着决定性作用。光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。

半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程通过光刻来实现,光刻的工艺水平直 接决定芯片的制程水平和性能水平。

据观研天下的统计,半导体芯片在整个生产过程中需要 20-30 次的光刻,耗时占到了生产环节的一半,成本能占到三分之一。光刻不仅是影响代工 厂的生产效率及成本,更主要的是光刻机的技术水平决定了芯片的制程工艺,所以半导体产业中光刻机占据着极为重要地位。

全球光刻机设备市场占有率高度集中,据芯思想研究院的统计,仅 ASML 一家就占据了全球近七成的市场,ASML 的技术水平代表了世界顶尖的技术水平。ASML 仅用 30 年时间就在 光刻机领域建立起极高的技术壁垒,据 Bloomberg 数据显示,在 45nm 以下高端光刻机设备 市场 ASML 占据市场份额高达 80%以上,在极紫外光(EUV)领域,ASML是独家生产者,实 现了全球独家垄断。2019 年 7 月 24日,ASML 的股价创下234.5 美元的历史新高。

统观 35 年历史,如何从小木棚走向全球光刻机领域霸主?

1.市场定位:服务于芯片制造的曝光环节,以继续摩尔定律为指导

芯片的制造包括沉积、光刻胶涂覆、曝光、显影、蚀刻、移植、剥离等工序,其中曝光是微 芯片生产中的关键工序,ASML 正是处于半导体产业链中的曝光环节。ASML 的系统本质上 是投影系统,类似于幻灯片投影机,使用激光来布臵晶体管,相当于微芯片的“脑细胞”。光线携带者要打印的图案的蓝图,通过所谓的掩模投射出来,透镜或镜子将图案聚焦在晶圆片上,当未暴露的部分被蚀刻掉时,图案就显露出来了。由于光刻技术将微芯片上的结构制 成图形,因此,光刻技术在决定芯片上的特征有多小以及芯片制造商将晶体管组装在一起的密度方面起着重要的作用。

据公司年报披露,上世纪 70 年代早期典型的芯片是 1 万纳米尺寸,而目前领先的芯片制造 商可以生产出 10 纳米尺寸的芯片,最先进的微芯片上的晶体管数量已经从几千个增加到 60 多亿个,英特尔联合创始人戈登•摩尔在 1965 年首次发现了这一趋势。摩尔表示,芯片制造 商可以在保持相同成本的情况下,每2 年将典型微处理器的晶体管数量增加一倍,并提高其 性能,这一趋势已经持续了 50 多年,被称为摩尔定律。ASML 将继续以摩尔定律为指导, 不断向更高技术节点迈进。

2. 发展历程:从 PAS 到 EUV,从单一光刻机走向整体光刻时代

ASML(阿斯麦)是一家专注于提供整体光刻解决方案的供应商,为其客户提供工具——硬 件、软件和服务——来创建定义芯片上电子电路的模式。该公司成立于 1984 年,总部位于 荷兰费尔德霍芬(Veldhoven), 至今已成立 35 年。ASML 以创新为生命线,不断研发新产 品,先后成功研制出双工作台、浸没式 TWINSCAN XT、TWINSCAN NXT 系列、新一代 EUV 光刻机 TWINSCAN NXE 系列,目前已成为全球最大的半导体光刻机设备及服务提供商,拥有 23247 名员工,办公室遍布全球16 个国家 60 个城市,2018 年光刻机出货224 台,实现 净销售额 129.26 亿美元,实现净利润31.94 亿美元。

推出 PAS 2500 光刻机,建立起一定的名气。1984 年,飞利浦与芯片制造商 ASMI合资成立 了 ASML,专门从事光刻机设备的开发。成立之初,ASML 资金匮乏,但是 ASML 不断坚持 创新与实践,成立当年推出了 PAS2000 步进式光刻机。公司迅速发展,得到飞利浦和 ASMI 的追加投资,1985 年已拥有100 多名员工,并搬到了新建的办公室和工厂;1986 年,公司 采用新的对中技术推出 PAS 2500 步进式光刻机,开始在市场上建立起一定的名气,同年与 镜片制造商CarlZeiss建立合作伙伴关系;1988年随着飞利浦在台湾建立合资铸造厂,ASML 开始在亚洲市场开拓道路。

PAS5500 光刻机取得巨大成功,成功上市带来充裕资金。1991 年,公司推出了 PAS5500 光刻机,拥有业界领先的生产力和分辨率,取得巨大成功,今天仍然有被使用,由此 ASML 开始走向成熟;1995,ASML在纳斯达克和阿姆斯特丹交易所上市,带来充裕的资金,为 ASML的发展奠定了物质基础;并且ASML收购了飞利浦持有的股份,成为完全独立的公司。

成功研制双工作台、浸没式 TWINSCANXT、TWINSCANNXT 系列,一举奠定光刻机领域 的霸主地位。2000 年代是 ASML 腾飞的十年,2001 年,ASML收购硅谷集团;同年,ASML 推出了双扫描系统,利用“双级”技术,在测量下一个晶圆的同时,暴露出一个晶圆,从而 使性能和生产率最大化。2003 年,ASML 成功研制出世界上第一台浸入式光刻机 TWINSCANAT:1150i;接着 2006 年推出第一台沉浸式批量生产光刻机 TWINSCANXT:1700i;2007年又成功研发出第一台 193nm浸入式系统TWINSCANXT:1900i;具有双工 作台、浸没式光刻技术的 TWINSCANXT、TWINSCANNXT 系列研制成功,奠定 ASML 在 光刻机领域的霸主地位,尼康、佳能市场份额被急剧压缩。两年后的 2009 年,据 Bloomberg 数据显示,ASML 的营业额已达 22.25 亿美元,已经占据70%市场份额,成功登上光刻机领 域的霸主之位。

迈向“整体光刻”时代,外延并购与整合助力新征程。2007 年,ASML 收购了美国 Brion 公司, 这是一家专门从事计算光刻集成电路的公司,成为 ASML 整体光刻产品战略的基石。2010 年,推出第一台极紫外(EUV)光刻工具原型(NXE:3100),开启光刻新时代,并且 ASML 成为 EUV 光刻机领域的独家垄断者,市占率为 100%。2013 年,ASML 收购了美国光源制造商 Cymer,加速了下一代光刻技术的发展;2016 年,ASML 收购了台湾领先的电子束测 量工具 HMI,进一步增强了整体光刻产品组合;2017 年,ASML 收购了德国卡尔蔡司 SMT股份有限公司 24.9%的间接股权,促进了 EUV 系统的进一步发展,同年 TWINSCAN NXE:3400B 机台正式出货;2019 年,ASML 收购了竞争对手Mapper 公司的 IP 资产。通过 一些列的收购与整合,ASML逐步走向整体光刻时代。

3. 管理团队: 一流的财会背景+丰富的同行业经验,创造十余年辉煌业绩

ASML 的管理团队精英云集,具有强大的金融财会背景、丰富的同行业经验。ASML 的 CEO 曾担任德勤会计师事务所合伙人,并且是荷兰注册会计师协会的成员、荷兰政府雇员养老基金 Stichting PensioEnfonds ABP 的顾问,拥有一流的财会知识、管理能力。CFO 同样来自 德勤,曾担任德勤控股有限公司 CEO、德勤集团全球副董事长,是马斯特里赫特大学审计硕士、工商管理博士,荷兰国家银行监事会成员,同样拥有丰富的财会知识和极广的人脉。公 司有三个执行副总裁都是理工科毕业,且有丰富的同行业经验,有利于公司的发展。在该管理团队的领导下,ASML 实现了辉煌的业绩,从 2006 年净销售收入 45.19 亿美元,到 2018 年的129.26 亿美元,实现了两倍多的增长。

探清运作模式,如何打通上下游供应链,加快创新速度

创新是 ASML 的生命线,是推动其业务发展的引擎,ASML 的创新不是孤立地创新,而是坚持“开放式创新”理念, ASML 通过资本市场打通了产业上下游的利益链,与供应商和客 户建立了密切的合作;在政府协助下与外部技术合作伙伴、研究机构、学院展开密切合作,建立开放研究网络,合理共享技术与成果。ASML 通过打通上下游供应链,建立起开放研究网络,大大加快了创新速度,快速形成技术壁垒。

在客户方面,ASML 的三大客户英特尔、三星、台积电均是其股东,每年为 ASML 注入大量 资金;ASML 则给予股东优先供货权。通过客户入股使得 ASML 与客户结成紧密的利益共 同体,在共享股东先进科技的同时降低自身的研发风险。

在供应商方面,ASML 通过战略并购与入股,快速打通上游供应链,快速攫取了光源、镜头等光刻机零件领先的技术,占据技术高地,进一步促进公司核心技术的创新。

在外部技术合作方面,ASML 主导打造了囊括外部技术合作伙伴、研究机构、高等院校的巨大开放式研究网络,并通过建立特有的专利制度管理知识产权和研究成果。

1. 客户入股:打造利益共同体,共享研发风险与回报

ASML 引入三大客户--英特尔、三星、台积电入股,打造利益共同体,共享研发风险与回报。ASML 致力于打造协作生态系统,将自己视为建筑师和集成商,与客户建立合作伙伴关系展 开密切的技术合作,与客户共同承担研发费用,共享研究成果,根据客户的需求改进旧产品、开发新产品,与客户建立长期合作关系,互相倾听,互相推动,不断创新。

ASML 的主要客户群体是内存和逻辑芯片制造商,最大的三大客户是英特尔、三星、台积电。ASML 以接受股东注资的方式引入英特尔、三星、台积电等全球半导体巨头作为战略合作方, 并给予股东优先供货权,从而结成紧密的利益共同体,在共享股东先进科技的同时降低自身的研发风险。公司年报披露,Intel、三星、台积电等客户同意从 2013 年到 2017 年为 ASML 的研发项目提供 13.8 亿欧元(约15.3 亿美元)的资金,以加速 EUV 技术的发展,这为 ASML 的技术研发提供了充足资金并降低了其研发风险。

2. 战略并购:构建完整上游供应链,快速攫取技术领先优势

ASML 一方面通过客户入股获得研发资金,降低研发风险;另一方面不断通过战略并购,快速扩大市场份额、打通上游供应链、攫取技术领先优势、扩展业务领域。通过收购光源大厂 Cymer、电子束检测设备商 HMI 以及入股镜头龙头卡尔蔡司等,ASML 构建起完整的上游 供应链,并且快速获得了光源、镜头等光刻机零件领先的技术,占据技术高地,进一步促进公司技术的创新。

2001 年,ASML 收购美国光刻机巨头硅谷集团(SVGL), 快速获得反射技术,市场份额快 速提升。ASML 尚未掌握新一代 157nm 激光需要配臵的反折射镜头技术,硅谷集团拥有较 成熟的 157nm光学技术,于是 ASML 通过将硅谷集团收入囊中获取了该技术。

2007 年,ASML 收购了美国 Brion 公司,这是一家专门从事计算光刻集成电路的公司,成 为 ASML 整体光刻产品战略的基石。

2013年,ASML 收购了全球领先的准分子激光器厂商Cymer,加速了EUV光源技术的发展, 为光源技术提供了保障。Cymer 拥有世界领先的光源技术,2000 年推出第一款专为193nm波长的光刻应用而设计的 ArF 光源;2001 年推出业界首款光刻光源专用电子诊断和性能监 控软件 Cymer OnLine;2005 年推出业内首款 193nm ArF 6kHz 光源 XLA 300,之后 Cymer 的多款产品也均是行业首发。2009年,Cymer 提供了首个生产就绪的激光产生的等离子EUV 源。ASML 对 Cymer 的收购,加速了 EUV 半导体光刻技术的发展。

2016 年,ASML 收购了台湾领先的电子束晶圆检测设备的半导体设备厂商 HMI,为先进工 艺提供了晶圆缺陷检测技术支持。HMI是电子束检测设备领域的老大,据全民说芯统计,其市占率高达 85%。通过此次收购,ASML 进一步拓展了 HMI 电子光束解决方案业务,自收 购 HMI以来,提供了多个模式保真度计量工具(ePfm5 系统),为客户提供了检测模式缺陷 的增强功能。2017 年,ASML 收购德国卡尔蔡司子公司 24.9%股权(据公司年报披露),布局 微影镜头关键技术。2019 年,ASML 又收购了竞争对手Mapper 的知识产权资产,进一步促 进了公司的发展。

3. 开放创新:建立开放研究网络,合理共享研发成果

ASML 与研究机构、学院、外部技术合作伙伴建立巨大开放式研究网络,共同研发与改进。ASML依托自身的资源和技术积累,主导打造了囊括研究机构、高等院校、合作伙伴的巨大 开放式研究网络,首先这使 ASML能够轻松地获得各种技术的前沿知识和技能;其次,ASML 联合研究机构和供应商共同参与设计,直接促进了产品的更新。这种开放式研究网络,用最小的成本实现了最快的技术创新,使得技术快速地更新迭代,极大地满足了客户的需求。

ASML 与纳米光刻技术高级研究中心、塔塔钢铁和阿姆斯特丹 Vrije 大学的研究人员合作开 发了基于无透镜显微镜的成像表面新技术。为了支持平版印刷业务,ASML 与卡尔蔡司公司 和 Cadence 设计系统建立了密切而长期的合作关系。ASML 和世界著名的研究和创新中心 IMEC 展开合作,以加速采用 EUV 光刻技术进行大批量生产,并探索下一代高钠超视距光刻 技术的潜力,以实现更小的纳米级器件的印刷。ASML 的合作伙伴还包括加州劳伦斯利弗莫 尔国家实验室、纽约州立大学理工学院、中国上海集成电路研发中心、EUV LCC 等。

开放式创新在 ASML 的崛起中发挥了巨大作用,开放式创新促成 ASML的两次转折,由此 ASML 建立起技术领先优势,促成 EUV 领域技术垄断局面。其中与台积电成功研发“浸没 式”光刻机、加入 EUV LLC 组织共同研发 EUV 光刻机,是光刻机历史上的两次突破,也是 ASML 历史上的两次重要转折,第一次使得 ASML 市场占有率位居全球第一,第二次使得 ASML 成为 EUV 领域的独家垄断者。

转折一:联合台积电,成功研制浸入式光刻机,一举拿下 70 %市场份额

直至上世纪 90 年代,光刻机领域一直以干式微影技术为主导,此时干式微影技术遇到了瓶颈,尼康等众多光刻机厂家、学者投入大量精力以及巨额费用研究干式微影技术,一直无法 将光刻光源从 193nm波长缩短到 157nm。担任台积电研发副总经理的林本坚提出可以把透 镜和硅片之间的介质从空气换成水,由于水的折射率大约为1.4,那么波长可缩短为132nm。其他厂商基本都拒绝合作,此时 ASML 决定和台积电合作研究“浸没式”方解决方案。

光刻机市场是一个技术为王的市场,技术先进者才能存活,如果技术落后,设备将无人购买。2003 年,ASML 和台积电共同研发成功全球第一台浸没式微影机,一时成为市场上最为先 进的产品,获得英特尔、台积电量大客户,市场份额快速提升;2009 年 ASML 的净销售收 入已达到 22.90 亿美元,据芯思想研究院统计,其市场份额已达 70%左右,跃居世界第一。

转折二:加入 EUV LLC,成功推出 EUV 光刻机,成为超高端市场的独家垄断者

1997年Intel和美国能源部共同发起成立EUV LLC,汇聚了美国顶级的研究资源和芯片巨头, 包括劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室、桑迪亚国家实验室三大国家实验室,集中了数百位顶尖科学家,共同研究 EUV 光刻技术。英特尔邀请 ASML 和尼康一起加入该组织,最初美国政府担心最前沿的技术落入外国公司手中,反对 ASML 和尼康加入,最后 ASML 成功加入 EUV LLC,能够享受其基础研究成果,尼康却没能加入。

1997 年,ASML 加入 EUV LLC,能够享受 EUV LLC 的研究成果大大加快了其 EUV 的研发 速度。2005 年前后,摩尔定律的延续再度陷入停滞。极紫外光刻技术虽被认为是制程突破 10nm的关键,但技术难度和投资金额极高,尼康和佳能几近放弃。在此情况下,ASML 仍坚持投入研发,并积极向外寻求研发支持。在政府经费方面,阿斯麦从欧盟第六框架研发计 划中获得 2325 万欧元研发资助;在合作伙伴方面,ASML 提出“客户联合投资专案”,用股权向英特尔、台积电、三星等客户筹得 53 亿欧元研发资金,并向股东提供设备的优先使用 权;在合作研发方面,联合3 所大学、10 个研究所、15 个欧洲公司共同开展“More Moore” 项目,大大推进了EUV技术的研发进程。随后2010年,ASML推出第一台EUV光刻机NXE:3100。2013 年收购美国准分子激光源企业 Cymer,进一步打通了极紫外光刻机的生产产业 链,并于同年推出第二款 EUV 光刻机 NXE:3300B。2017 年,ASML 推出第三款 EUV 光 刻机NXE:3400B。自此,ASML 成为全球唯一一家能够设计和制造 EUV 光刻机设备的厂 商,成为超高端市场的独家垄断者。

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