光刻機打破ASML壟斷還要多久？

張依依

業界有種說法，“得芯片者得天下”，而光刻機對芯片制造工藝的進步至關重要。光刻機被譽為半導體工業皇冠上的明珠，其研發成本和制造難度巨大，高端的EUV光刻機更是光刻機中技術含量最高的設備。目前，全世界只有ASML（阿斯麥）一家廠商可生產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光刻機供應商有荷蘭的ASML、日本的Nikon（尼康）和Canon（佳能），市場呈現“三分天下”的格局。賽迪智庫集成電路研究所相關人士告訴《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。相對而言，Nikon和Canon在半導體領域主要服務于中低端市場，先進制程遠落后于ASML，優勢僅在成本。

從全球范圍來看，相關數據顯示，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34%的t-line光刻機市場份額，Nikon的市占率為18%，Canon則以4g%的份額在i-line光刻機市場占據領先。ASML在KrF光刻機出貨量上以65%的比例占據絕對優勢，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“不見蹤影”，ASML則以絕對優勢“獨占鰲頭”，共出貨104臺ArF和ArFi光刻機，市占率分別為63Y0和88%，遠高于Nikon的37%和12%。

在EUV光刻機的生產上，一直以來只有ASML 一家公司能提供可供量產的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也經歷了很多關鍵事件。

記者從業內人士處了解到，1991年ASML推出了PAS 5500，在光刻機領域一舉成名。2001年，ASML推出了TWINSCAN系統及雙工作臺技術，之后又發布了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。

該業內人士表示，推出PAS5000、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已構建了世界上最全面且最強大的光刻機供應鏈體系，幾乎壟斷著整個光刻機市場，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的發展空間？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展空間受限。

在王志越看來，其他企業若想挑戰ASML光刻機的“霸主”地位，會面臨很大挑戰。王志越指出，首先，突破技術壁壘將會是一大挑戰。目前ASML掌握了EUV光刻機的核心技術，擁有核心技術和關鍵零部件的知識產權，這種知識產權保護體系的壁壘很難突破。其次，ASMl建立的技術相對成熟，且合作關系緊密的供應鏈具有排他性，因此進入需要培育的可控供應鏈和產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積累和與臺積電、三星等廠商的合作聯盟關系。其他廠商若想打破其壟斷，必須要有新一代技術的突破，且對市場要持續投入。

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，還要提升其配套設備和材料的質量。半導體行業專家莫大康表示，配套材料光刻膠有時會出現問題。這是由于EUV光刻機通過利用反光鏡反射光時，光子和光刻膠的化學反應會變得不可控，在某些情況下會出現差錯，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，對于先進技術節點中采用的EUV光刻，其良率直接決定了制程技術的成本，因此只有保障EUV的良率和精度，才有可能實現制程技術的突破。相關信息顯示，隨著業界制程走向10納米以下，全球只有ASML的EUV光刻系統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

從光刻機技術發展的趨勢來看，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備。伴隨著光刻工藝的演進，芯片也在朝向更小工藝尺寸邁進。

光刻機內部組件種類繁多，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，光源是光刻機最關鍵且技術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實現更小的工藝節點，推動芯片朝更小制程前進。

第一、二代光刻機分別將汞燈產生的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。第三代光刻機為KrF光刻機，將波長為248納米的IOF準分子激光作為光源，將最小工藝節點提升至180納米。第四代光刻機為AiF光刻機，光源為波長193納米的ArF準分子激光。為克服技術障礙，光刻機生產商在ArF光刻機上進行了工藝創新，最高可實現22納米制程的芯片生產。

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點的需求。為提供波長更短的光源，縮小工藝節點，第五代EUV（極紫外）光刻機應運而生。EUV光刻機將二氧化碳激光照射在錫等靶材上，激發出波長13.5納米的光子作為光刻機光源，顯著地提升了光刻機所能實現的最小工藝節點。

此外，EUV光源效率也需要進一步提升。“按工藝要求，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。”莫大康說。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制造數量。與此同時，EUV光刻機將繼續為ASML的客戶提高產量，同時繼續提高EUV吞吐量，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在短期之內難以改變。但是，技術的持續演進能為后續進入者提供發展機遇，使其在新一代技術的發展中尋求突破。.