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一台EUV光刻机凭什么能卖12亿元？

晰数塔互联网快讯
2020-10-19 07:58

编者按：本文来自微信公众号“魔铁的世界”（ID:jiangpeiyu0916），作者魔铁，36氪经授权发布。

在几年前，可能很少有人知道什么是光刻机，但现在，随着芯片成为热门话题，光刻机的话题也爆热起来。其中，最引人注目的是光刻机天文数字般的价格。

10月14日，ASML总裁兼首席执行官Peter Wennink在介绍公司三季度业绩时，说：“我们第三季度的新增订单达到了29亿欧元，其中5.95亿欧元来自4台EUV设备。”由此估算，一台EUV光刻机的售价高达1.48亿欧元，折合人民币11.74亿元。

这个价格有多贵呢？按波音公司2014年产品目录公布的价格，一架波音B787飞机的零售价为2.571亿美元，按现在的汇率计算，大约合人民币17.3亿元人民币。

也就是说，一台EUV光刻机的售价可以买大约0.68架波音B787飞机。

问题来了，EUV光刻机凭什么值这个价？这需要从光刻机在芯片制造中的地位，EUV光刻设备的技术含量，以及全球光刻市场的形势说起。

.光刻机相当于照片洗印机.

苹果刚刚发布的iPhone 12搭载的A14芯片，集成了118亿个晶体管，每个晶体管的大小都是原子级别的。换句话说，你随手从头上拔下一根头发，其横截面上就可以容纳20多万个A14芯片的晶体管。

如此微小的晶体管，一般显微镜已经很难看清楚，而要制造它们，只能靠光刻（Lithography）设备，俗称光刻机。在半导体制造过程中，光刻机会投射光束，穿过印着图案的光掩膜版和光学镜片，将芯片的线路图曝光在涂有光刻胶的硅晶圆上，然后通过蚀刻曝光或没有曝光的部分来形成沟槽，再进行沉积、蚀刻、掺杂，从而制造出不同材质的线路，最终形成集成电路，封装测试后就是我们平常见到的芯片。

简单说，光刻机的作用就是将光掩膜版上设计好的集成电路图形，通过光线曝光，转移到硅片上。在这一过程中，光刻机相当于一台照片曝光洗印机，负责把底片（光掩膜版）上的图案，曝光并转印到相纸（硅晶圆）上，得到最终的照片（芯片）。

实际上，在仙童半导体时期，“硅平面制造工艺”刚发明时，采用的“光刻机”就购买自照相器材商店的洗印设备，然后加以改造而成。集成电路工艺发明人、英特尔创始人罗伯特.诺伊斯还磨制过“光刻机”的镜头。

经过数十年的发展，集成电路越来越复杂，元器件越来越微小，晶体管栅极氧化层厚度最薄只有几纳米，比最小的圆环病毒（直径17纳米）还小。相应地，光刻机也变得越来越精密复杂，曝光环境从通常的环境，演变为EUV光刻机需要的苛刻的真空。汇聚或改变光线的镜头，也从各种光学玻璃，发展到目前只能采用由Mo/Si及Mo/Be等多层膜构成的复杂反射镜，以配合EUV光刻机的特殊要求。（详见下图）

结果就是，光刻机从可以手工改造的普通设备，逐渐变成集成电路产业皇冠上的明珠，研发的技术门槛和资金门槛高到令人望而生畏。

.EUV光刻技术研发拼举国之力.

光刻机之所以被称为集成电路产业皇冠上的明珠，是因为集中了目前人类在电子、光学、精密机械和控制领域的最尖端知识，它的主要系统包括曝光光源、光学系统、电系统、机械系统和控制系统，每个系统既要超高精密，又要完美配合，因此对制造和装配技能有极高的要求。

这其中，光学系统是光刻机的核心，因此，可以按光源划分光刻技术的不同发展阶段。自20世纪50年代以来，光刻技术经历了紫外全谱（可见光）、g线（波长436nm）、深紫外（DUV，波长193nm）、极紫外Extreme Ultraviolet，简称EUV，波长13.5nm）等五个阶段。

光刻技术每提升一个阶段，采用的光源波长就下降一个档次，刻出的集成电路图形也更精细，同样硅片上容纳的晶体管就更多，功耗更低，性能也更强大。

由于集成电路图像分辨率和光刻机光源的波长呈负相关关系，波长越短，图像分辨率越高，因此采用不同光源的光刻机都有自己的分辨率极限。目前尼康和ASML的高端光刻机采用DUV光源，能实现的晶体管特征线宽不能低于10nm，10nm以下需要ASML的采用EUV光源的旗舰光刻机，即市场俗称的EUV光刻机（见下图）。

前一段时间，市场曾有“7nm+”的说法，由于是采用DUV光刻机生产，因此并不是真正的7nm，而是10nm制程工艺的改良版。

说到光刻机的技术含量，其实就是在说它的研发难度。而光刻机的售价，又往往和它的研发难度挂钩。前面说的ASML的EUV光刻机敢卖出0.68架波音B787飞机的高价，和EUV光刻技术研发难度有一定关系。

EUV光刻技术的研发最早始于1996年之前，1999年EUV光刻技术被国际半导体技术发展路线图（ITRS）确定为下一代光刻首选技术，之后，美国、欧洲、日本和韩国纷纷介入，期望在未来先进半导体制造中占据制高点。

其中，美国参与EUV光刻技术研究的超过50个单位，包括国家实验室、大学、科技公司等，比较知名的有英特尔联合AMD、摩托罗拉、美光、Infineon和IBM成立EUV光刻技术研发联盟。欧洲下注最大，超过35个独立国家、大约110个研究单位，参与到EUV光刻技术研究中。

日本起了个大早，EUV光刻技术研究始于1998年，却赶了个晚集，到2002年6月才成立EUV光刻技术系统研究协会。

韩国在工商能源部(MOCIE)的支持下开展EUV光刻技术研究，主要参加单位有 KERI (韩国电子研究社)、汉阳大学、韩国国民大学、三星浦项（Samsung Postech）、首尔大学等。

简单说，在EUV光刻技术的研发中，选手们拼的是举国之力。

经过20余年的角逐，最终在竞赛中胜出的是美国，掌握了绝大部分知识专利，欧洲荷兰的ASML则通过参与系统集成，进入到EUV光刻产业链条。这也是ASML出口EUV光刻机，需要美国出口许可，而出口DUV光刻机则无需美国点头的原因，毕竟EUV的知识产权基本被美国垄断。EUV光刻技术研发的详细内容，可以参考文末的《EUV光刻技术隐秘往事》。

.市场垄断得水泼不进.

EUV光刻技术类似于飞机发动机，既看基础研发实力，又要拼敢烧钱，还要屁股能坐得住，耐得住寂寞。正因为条件苛刻，所以仅美国、欧洲、日本和韩国等少数发达国家和地区愿意参与，很多国家和地区根本就不敢玩。

参与EUV光刻技术研发的玩家少，修成正果的仅有美国一家，最后推出EUV光刻机的厂家又仅为ASML，超高端光刻机的市场已经变成事实上的垄断市场，这也造成了一台EUV光刻机敢卖12亿元人民币，有钱还不一定买到的原因。

事实上，整个高端光刻机的市场都是ASML的菜。芯思想研究院（ChipInsights）的统计表明，超高端的EUV光刻机，高端的ArF、ArFi光刻机，在2019年共出货154台，其中ASML出货130台，占了整个市场的84%。感觉这个份额有点过分？其实ASML的市场份额已经下跌了，要知道在2018年它占据的市场份额可是90%。

对数据具体分析的话，会发现光刻机市场已经是垄断得水泼不进。EUV光刻机市场，ASML独占100%份额；ArFi光刻机市场，ASML市占率高达88%；ArF光刻机市场，ASML占据63%市场份额；KrF光刻机市场，ASML还是占据63%的市场份额。在中端的i线光刻机市场，ASML把能吃的蛋糕也都吃下了。

ASML吃干抹净，搞得市场上的其它玩家只能抢点渣渣。2019年，Nikon、Canon的总营收大约为248.04亿元人民币。要知道，Nikon、Canon可是全球前三的光刻机巨头，尤其Nikon，从上世纪80年代到2004年，一直是全球光刻机市场的大哥，只因在193nm的ArF光刻机研发上，点错了科技树，加上美国对日本半导体产业的强力防范，把Nikon踢出了EUV光刻技术研发联盟，仅接纳了ASML，结果Nikon被ASML超越，并被挡在了EUV光刻机的大门之外，成就了ASML的全球光刻机大哥的地位。相关内容可以阅读文末的《阿斯麦封神记》。