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。
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