青菜聊聊 ASML 晶片之母 #14
青菜聊聊 ASML 晶片之母 #14

青菜聊聊 ASML 晶片之母 #14

contributed by <Tim096>

前言

晶片,各種電子產品的心臟。小至我們身邊的電子表、車子、紅綠燈、電腦、伺服器,大致引領人類文明前進的超級電腦、火箭、戰鬥機、航空母艦,甚至是核彈裡面都有這一個小小的晶片,而未來筆者打算寫一個系列用技術的角度聊一下晶片這個艱深的領域,而今天我們先來聊一下這些晶片的製造當中必不可少的那台光刻機的故事。

如果說英雄造時勢在現實生活中存在,那麼 ASML 絕對是其中一家這種公司,ASML 引領了世界的改變,如果沒有了它們,手機晶片不會發展的如此迅速、蘋果不會有 M1 晶片的誕生、加密貨幣也會推遲幾年,沒有了 ASML 的世界真的會因此停滯發展幾年。

  1. 光刻機到底是什麼?
  2. 光刻機的迷思破解
  3. ASML 神奇的商業模式
  4. ASML 如何獨佔的?
  5. Tim096 的觀點

1. 光刻機到底是什麼?

在製造晶片的過程中,光刻工藝無疑最關鍵、最複雜和佔用時間最大的步驟。光刻定義了晶體管的尺寸,是晶片生產中最核心的工藝,佔晶圓製造耗時的 40%~50%。光刻機在晶圓製造設備投資額中約佔 23%,再考慮到光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、光罩(光掩膜板)、塗膠顯影設備等諸多配套設施和材料投資,實則整個光刻工藝佔到了晶片成本的三分之一左右。

光刻的原理是,在矽片上覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠,再用紫外光透過掩模照射在矽片上,被光線照射到的光刻膠會發生化學反應。此後用特定顯影液洗去被照射/未被照射的光刻膠,就完成了把電路圖從掩模轉移到矽片上。一般的光刻工藝,要經過氣相成底膜、旋轉塗膠、軟烘、對準與曝光、曝光後烘培、顯影、堅膜烘培、顯影檢查等工序。

光刻機製做晶圓示意圖 - (來源 : Nanoimprint lithography steppers for volume fabrication of leading-edge semiconductor integrated circuits)
光刻機製做晶圓示意圖 – (來源 : Nanoimprint lithography steppers for volume fabrication of leading-edge semiconductor integrated circuits)

好啦,經過一串令人難懂得說明以後,跟往常一樣,筆者試者用比較簡單的方式解釋看看吧。晶片就像是我們要製作的燉牛腩,而其中需要高壓鍋、火、鏟子等,中間所需要用到的器具,就是光刻機。

2. 光刻機的迷思破解

許多人會認為光刻機整台就是由這些大廠所建造的,但事實上不是,我們所謂的這些光刻機供應商(Nikon、Canon、ASML),更正確的解讀應該是系統組裝廠,而不是光刻機的所有東西就是他們生產的。

而這也讓 ASML 有不同於其他光刻機廠商的絕對優勢所在。研發和製造光刻機,並非某個企業就能夠單獨完成。光刻作為晶圓製造過程中最複雜、最重要的步驟,主要體現在光刻產業鏈高度複雜,需要很多頂尖企業相互配合才可以完成。一是作為光刻核心設備的光刻機組件複雜,包括光源、鏡頭、激光器、工作台等組件技術往往只被全球少數幾家公司掌握;二是作為與光刻機配套的光刻膠、光刻氣體、光罩等半導體材料和塗膠顯影設備等,同樣擁有不低的技術含量。

光刻機 - (來源 : ASML)
光刻機 – (來源 : ASML)

可以說一台光刻機的製造,不僅僅是一個國家、一個企業可以輕易完成的,可說是人類的最高結晶之作。

3. ASML 神奇的商業模式

光刻機一台約 37 億元新台幣,想想背後一開始的研發費用,以及要持續保持技術領先每年約略 30 億美元的研發費用,根本不是一家新創公司可以負擔的起的,即使負擔的起風險也極高。因此 ASML 這時候想出來了一個非常聰明的商業模式,讓想要購買的廠商(Inetel、TSMC、samsung等)入股,並且如果不入股就不給予優先購買權。

2011 年是 G450C 成立的時間。ASML 要在 18 寸光刻機和 EUV 上兩線作戰,實在沒那麼多錢。而且 EUV 的風險巨大,造出一堆廢鐵的概率也不低。

因此 2012 年 ASML 提出了客戶投資計劃,拿出 25% 的股份請主要客戶做聯合投資,那時 ASML 市值也只有 200 億美元。注意,這其實是風險投資,是當時最窮的 ASML 主動發起,而不是三巨頭主動投的。

Inetel 率先認購了 15% 。但是,其中 10% 是對 18 寸 晶圓 光刻機的投資,只有 5% 是對 EUV 的投資。台積電認購了 5%,samsung 想了半天只認購了 3% (放棄了 2% )。很明顯,當時三巨頭對 EUV 其實都不大看好。因為技術難度實在是太大了,事實上開發了 10 年也只做出來個問題極多的原型,這幾乎算是人類做過最突破極限的事情了。

4. ASML 如何獨佔的?

EUV 光刻機的成功,主要源於 ASML 全面打通了光刻機上游產業鏈。在 EUV 光刻機超過 10 萬個零件中,來自美國矽谷集團的微激光系統、德國蔡司的鏡頭和西盟科技的 EUV 光源是最重要的三環。 1997 年,英特爾牽頭創辦了 EUV LLC 聯盟,隨後 ASML 作為唯一的光刻機設備製造商加入該聯盟,彼此共享研究成果。2000 年,ASML 收購了美國光刻機巨頭矽谷集團(SVGL)。2012年,ASML 收購EUV光源提供商西盟科技(Cymer),此前,ASML 和西盟就合作已久。到了 2016年,ASML 取得了光學鏡片龍頭廠商德國卡爾蔡司 24.9% 的股份,以加快推進更大數值孔徑的 EUV 光學系統。通過這些收購,ASML 幾乎參與了整個 EUV 光刻上游產業鏈。但收購美國企業的過程,使得 ASML 必須同意在美國建立一所工廠和一個研發中心,以此滿足所有美國本土的產能需求。另外, ASML 還需要保證 55% 左右的零部件均從美國供應商處採購,並接受定期審查,這也為日後 ASML 向中國公司出口光刻機受到美國管制埋下了伏筆。

各種光刻機市占率 - (來源 : Youtube)
各種光刻機市占率 – (來源 : Youtube)

經由這條上下游產業鏈的整合,以及靠關係。造成全球製造晶片的最高技術被 ASML 緊緊地握在手中,也讓其他廠商無法製造出 EUV,ASML 的議價空間也變得相當寬裕,因此未來 EUV 的價格進一步調升,也不是不可能,特別是現在這個晶片荒的時代。

5. Tim096 的觀點

如同前言所述,在這一個全面進入電子化的時代,並且所有東西都要求雲端。人類從機械的時代,全面進入電器的時代,是在上一個世紀末完成的。而下一個全面雲端化的時代即將來臨,AI、5G、IoT、伺服器、自動駕駛等。每一個未來的發展都在朝者越來越多晶片發展,有數據顯示未來每一個電子化的東西,會比現在多出 10~100 倍的晶片。隨者中美霸權的你爭我奪,晶片製造已經變成一項戰略物資來看待,反全球化的結果就是全球資本效率的低下,而其中晶片製造資本利用率低下的結果,就是每一個國家都需要購買更多的光刻機。

可說是時代是站在 ASML 這邊的,而全球政治的緊張,也讓 ASML 的獨佔可以繼續佔據好一段時間沒問題。

我們可以看到,ASML 這樣的公司在頭 20 年裡各種不被看好。研發高難、對手強大、產品單一、客戶群少、受經濟周期影響大……這一路走過來的披荊斬棘也是經常被大家忽略的。不過,怎樣從缺人、缺錢、缺技術、缺客戶摸爬滾打過來,今天 ASML 市值超過飛利浦+空客+寶馬的總和,肯定是沒有人能夠預料到的。

窮小子十年後復仇的故事,從來不是一件簡單的事情,但今天的你努力了嗎?