Nikon、Canon 日系光刻機為何被後起之秀 ASML 超越?

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 22 日 8:00 | 分類 材料、設備 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


當今世界光刻機三大製造商是:日本 Nikon、Canon 和荷蘭 ASML,日本 Nikon 和 Canon 都是知名百年老牌照相機製造商,ASML 則是 1984 才成立的合資公司,但如今 ASML 光刻機(曝光機)享譽全球,聲勢更超越 Nikon。ASML 後發制人卻能邁向成功,這是怎麼做到的?《科技新報》取得「若葉 ヒロユキ」授權轉載,以下為他的見解。

半導體製程的光刻機為用一塊極精細圖案的玻璃底板,透過高性能的縮小成像鏡頭,對塗有感光材料的矽片進行強烈雷射照射的自動化曝光設備。這塊矽片通常叫晶圓。

一台光刻機綜合了光學、機械、化學、軟體等眾多高技術要素,擔任半導體製造最重要的部分,一台光刻機通常差不多與一輛 2 噸卡車一樣大。

模組化革命的關鍵

現在最先進細微化電路設計採用的 DUV(深紫外線)類型的光刻機,市場年供求量約為 200~300 台,最新機型價格約 6 億美元,對製造商來說要採購這種設備,通常會慎重考慮,且由於產品開發週期的競爭形勢大致 2 年換代,因此新手加入競爭圈相當不易。這不僅是設備本身昂貴,還在於一代代生產現場積累起來的技術。

當今光刻機製造商只剩下 3 家公司,就是日本 Nikon、Canon 和荷蘭 ASML。日本 Nikon 和 Canon 都是世界知名有近百年歷史的老牌照相機製造商,而 ASML 是 1984 由荷蘭飛利浦一個部門和 ASM International 共同出資成立的合資公司。ASML 同時還是商社,所以採購能力很強是一大特徵,這造成後來光刻機的歷史進程差異。

▲ Canon DUV 光刻機。(Source:Canon

2000 年以前,世界最先進細微化製程的半導體光刻機市占率完全是 Nikon 的天下,但 10 年後的 2010 年,ASML 的細微化光刻機市占率擴大到 80%,Nikon 只占 20%,Canon 則更早就退出細微化光刻機市場競爭。半導體光刻機對日本企業來說,最擅長的就是量身打造、精心設計,但 ASML 的模組化設計,很快效率就凌駕 Nikon 之上。

之後,半導體光刻機的模組化設計成為模組化革命的關鍵,加上同時可進行 2 片晶圓的掃描曝光技術及液浸式曝光提高精度的技術,都成為關鍵課題。ASML 由於後發參與,不用顧慮以往資產繼承,很順利進入新設計領域,Nikon 雖然也努力轉型模組化設計,整體速度卻滯後不少,這既有企業本身原因,也有顧客面的原因。

▲ Nikon 液浸式光刻機。(Source:Nikon

Nikon 與 ASML 優勢大不同

為什麼 ASML 與 Nikon 命運不同?綜觀 2005~2010 年,這關鍵 5 年 ASML 與 Nikon 的顧客,當時美國英特爾各工廠占 Nikon 光刻機客戶近半數,其次是東芝(當時也做光刻機)約占二成,可說英特爾的世界幾乎沒有 ASML 的份,但 ASML 卻已獲得南韓三星光刻機最大占有率,緊接是 SK 海力士和台積電。

Nikon 的主要顧客是生產微處理器的英特爾,這些產品都是很複雜的設計。最終功能除錯是英特爾自己做,但規格很窄,導致前段各種設備包括光刻機製作條件都要嚴絲合縫設計裝配,且針對很多個別要求的產品,相同光刻機無法通用,就阻礙光刻機設計模組化。

相反地,三星電子和台積電生產的是 DRAM、ASIC 等通用性產品,追求產品通用性對生產線規格統一有推波助瀾之效,也就是說不管哪家工廠生產,都能生產出相同晶片,換言之,設備自然也要追求通用性。

至於光刻機的構成要素,Nikon 光刻機有投影系統、照明系統、控制台、對位系統、軟體,當然還有機身,這些部分全是 Nikon 自製,只有照明系統採用德國蔡司。

結果是 Nikon 對各構成的知識相當豐富,且有很強的調整能力和與客戶的對應能力,但各構成系統的最優化方面幾乎沒有積累。ASML 情況與 Nikon 正好相反,顧客都是後來居上。設備搬入顧客工廠後還能微調模組,不斷積累下一台光刻機最佳化模組化設計的經驗。

ASML 後發制人邁向成功

另一個注目點是,分析近 20 年學界業界論文,ASML 的共同開發研究論文甚多,甚至包括外部供應鏈都有很多相關論文發表,Nikon 的論文則幾乎都是自己發表,共同論文、外部論文與 ASML 相比,數量大幅減少,且大部分僅限日本國內。從這點可看出,ASML 光刻機的模組零組件相關供應鏈,有巨大資訊共享能力,且資訊收集方面還遍及光刻機以外領域;與 Nikon 相比,ASML 完全是在做全球化光刻機。

Nikon 細微化光刻機在市場被 ASML 反超的原因,一是過度拘泥所有零件內製化,過度拘泥技術資產和方式,唯一外購的光源與自家鏡頭搭配時,也是最優先考慮如何讓鏡頭性能體現,且與外界和顧客的協作沒有積累思考下一個新設計,這就導致無法建立設計通用性光刻機的平台。

最新的細微化光刻機的曝光線寬為 7 奈米,現在正向更精細的 5 奈米和 2 奈米發展,採用 EUV(Extreme Ultraviolet,極短紫外線)液浸曝光方式,所謂液浸,就是鏡頭與曝光成像的光路是在液體內傳遞光線,不是普通攝影的空氣傳遞,液浸方式曝光提高成像解析度同時,也排除空氣造成的光波傳遞誤差和噪聲,但這種方式並非 ASML 僅有,Canon 和 Nikon 不同用途的光刻機也有廣泛採用。

ASML 光刻機後發制人成功,是由於手機這個人攜帶機器追求更高功能同時,又不能超出現有體積大小的限制,但手機以外的半導體晶片未必需要如此追求越小越好,如車載或高鐵、飛機、軍事、宇宙用途的半導體,優先考慮的都是可靠性,因此光刻機領域其實也各有用途的對應設計。ASML 趕上智慧手機迅速普及的時代,不能否認是種運氣,但要在諸如車載半導體晶片領域擴大既有的日系光刻機市場,未必會像手機市場那麼容易。

光刻機對半導體產業的重要性

半導體製程分為前期製程(主要是對晶圓狀態的各種工藝生產)和後期製程(主要是對切割後的晶圓進行晶片加工),工藝要求和技術難度角度說,前期製程的難度遠在後期製程之上,所以一個不足百人的中小企業略微投資些後期製程設備,在常規工廠環境就能進行半導體晶片的後期配線封裝,但前期製程不僅需要多達幾十種甚至幾百種不同的設備,光是需要維持工廠環境的高淨化度就是一筆不小的運營成本,因此很多人驚呼得不到光刻機,半導體產業就完蛋了了,其實給你光刻機,你沒有其他配套的設備,同樣無法生產半導體,缺一不可。

那麼為什麼世人這麼在意光刻機的存在呢?因為光刻機是半導體設備中價格最昂貴的(沒有之一),因此雖然 ASML 只生產光刻機,但是它卻能在 2018 年開始在全球整個半導體設備廠商中登上世界第二,第一是美國的 Applied Materials, Inc,第三是日本的東京電子。(編按:到 2019 年這個排行的變化也依然不大)

(圖片來源:VLSIresearch

(圖片來源:VLSIresearch

半導體設備從金額上看,雖然 ASML 異軍突起,但這不代表 ASML 能壟斷整個半導體設備,在光刻機以外的各種大量的自動化設備方面,日本毫無疑問依然以其強勁的實力占據了大部分的市場。這可以從去年日韓關係緊張後,日本限制出口給南韓半導體矽材料和高純度光刻膠,結果導致了南韓半導體產業幾乎遭受致命性的打擊,而三星和台積電都有大量的日本設備,僅以台積電為例,2008 年,筆者設計的一種半導體自動化設備在台積電就多達 40 幾台在運行。

(本文由 若葉 ヒロユキ 授權轉載;首圖來源:ASML

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