下一代EUV光刻机何时问世?
在过去的40年里，我们逐渐从个人电脑和移动设备时代进化到云时代，我们生活的几乎每个方面都在网上存储和管理。ASML(ASML.US) CTO Martin van den Brink表示，数字化未来的下一步将是分布式智能，由通信、计算和人工智能的无缝集成驱动，所有这些趋势都要求更高的计算能力，这反过来又加速了对更强大、更节能的微芯片的需求。
随着芯片工艺制程的不断演进，芯片的制造变得越来越复杂。当今最先进的处理器基于Logic N5节点(5nm)，包含数十亿个晶体管。下一代芯片设计将包括更先进的材料、新的封装技术和更复杂的3D设计。
而光刻技术是制造性能更强大、成本更便宜芯片的推动力。ASML的目标一直是减少芯片工艺的临界尺寸，其整体光刻产品组合(EUV、ArFi、ArF、KrF和i-line系统等)有助于优化生产，并通过将光刻系统与计算建模、计量和检测解决方案集成，帮助优化生产并实现成本的降低。
半导体制造工艺(图源：ASML)
光刻系统所能达到的分辨率是光刻收缩的主要驱动因素之一，它主要由所用光的波长和光学系统的数值孔径决定。更短的波长就像用于绘画的更细的刷子，可以打印出更小的特征。更大的数值孔径可以更紧密地聚焦光线，也能够带来更好的分辨率。
ASML光刻系统的发展一直是通过减少波长和增加数值孔径来进行演进。多年来，ASML做了几个波长步长，DUV光刻系统范围从365 nm (i-line)， 248 nm (KrF)到193 nm (ArF) ，而EUV光刻机的光波波长仅为13.5nm。
NA是光学系统的数值孔径，表示光线的入射角度。使用更大的NA透镜可以打印出更小的结构。除了更大的透镜外，ASML还通过在最后一个透镜元件和晶圆之间保持一层水薄膜来增加ArF系统的NA(即所谓的浸泡系统)。在波长步进到EUV之后，ASML正在开发下一代EUV系统，称为EUV 0.55 NA (HighNA)，将数值孔径从0.33提高到0.55。
TWINSCAN NXE:3600D是ASML最新一代EUV 0.33 NA光刻系统。与其前身TWINSCAN NXE:3400C相比，能够提供15%至20%的生产力改进能力和约30%的覆盖改进，支持5nm和3nm逻辑节点和领先DRAM节点的EUV量产。
年报中指出，EUV产品路线图将帮助ASML在未来10年里实现设备价格合理的扩展。ASML的EUV 0.33 NA平台扩展了客户的逻辑和DRAM路线图，使用EUV制造芯片有助于减少40%的关键光刻掩模量和30%的工艺步骤，帮助客户显著的减少了成本和周期时间。
有数据显示，自EUV推出以来至2021年底，ASML的EUV光刻机生产了超过5900万片晶圆，2020年底这一数字为2600万片。可见EUV光刻机当前正处于快速起量阶段，ASML预计，EUV的采用将继续增长，到2024年所有先进节点芯片制造商预计将在生产中使用EUV。
下一代EUV 0.55 NA平台将继续为未来节点实现经济高效的扩展，具有更高数值孔径的新型光学设计，有望使芯片尺寸减小1.7倍，进一步提高分辨率，并将微芯片密度提高近3倍。第一个EUV 0.55 NA平台早期接入系统预计将在2023年投入使用，预计客户将在2024-2025年开始研发，2025-2026年进入客户的大批量生产。
光刻设备的“主力军”
光刻系统本质上是一种投影系统，光线投射到将要被打印的图案上(称为“蒙版”或“掩膜”)。通过在光中编码图案，系统的光学系统收缩并将图案聚焦到光敏硅片上。在图案印好后，系统轻微移动晶圆，在晶圆上制作另一份副本。
这个过程重复进行，直到晶圆被图案覆盖，完成晶圆的一层。为了制造一个完整的芯片，这个过程要一层一层地重复，把图案叠加起来，形成一个集成电路(IC)。目前，最简单的芯片有40层左右，而复杂的芯片可以达到150层以上。
当前，DUV光刻系统仍是业界的主力。DUV系统支持众多的细分市场，在当今客户设备中负责打印大多数层，并将在未来的设备中保持重要地位。
半导体行业目前使用的DUV分为浸没式和干式光刻解决方案，i-line采用365 nm波长，KrF采用248 nm波长，ArF采用193 nm波长，这些系统有助于制造广泛的半导体节点和技术，并支持行业的成本和节能扩展。
ASML的DUV浸没式和干式系统在生产率、成像和覆盖性能方面领先业界，可结合EUV技术大批量生产最先进的逻辑和内存芯片，同时继续为成熟节点和小批量应用提供价值。
ArF浸没式光刻在透镜和晶圆之间保持一层水薄膜，增加NA并提高分辨率以支持进一步的收缩。ASML的浸没系统适用于单曝光和多图案光刻，可与EUV系统无缝结合，用于打印同一芯片的不同层。TWINSCAN NXT:2050i是ASML目前最先进的浸没式系统，目前正用于5nm逻辑和第四代10nm DRAM节点的大批量生产。
然而，并非芯片上的每一层都需要最新和最大的浸入式光刻系统来生产，先进或复杂的层可以使用先进的光刻系统来打印，但其他层通常可以使用“老式”技术，如干式光刻系统来打印。ASML的干式系统产品组合为客户提供了各种波长的更经济的解决方案。
TWINSCAN NXT:1470是ASML最新的干式ArF光刻系统，提供每小时300片晶圆的记录生产力，具有4nm覆盖能力;TWINSCAN XT:86ON是新一代KrF系统，具有0.80 NA的分辨率，支持大容量200mm和300mm晶圆生产，以及低于110nm的分辨率;对于更关键的KrF层，0.93 NA TWINSCAN XT:1060K是其最先进的KrF光刻系统，在80nm及以下提供一流的分辨率和覆盖。
ASML CEO...表示，我们今天看到的行业市场增长，不仅存在于最先进的节点上，许多分布式计算和存储解决方案都需要成熟的光刻技术来制造。预计到2025年，ASML系统总销量的三分之二将是EUV，其余将是DUV和计量检测系统。这一预期比例低于我们在2018年的预测，但这并不意味着EUV市场出现萎缩，而是DUV和计量检测市场比预计的增速更快。
未来的半导体动力是什么?
哪些因素正在塑造半导体行业的格局?推动当前和未来行业发展的主要趋势是什么?
ASML认为，不断增长的消费需求、全球人才竞赛、地缘政治因素、扩大研发投资以及不断变化的外部环境和采取行动应对气候变化等因素正在重塑半导体行业格局。
不断增长的消费需求：无线通信、电信、媒体和云通过连接设备的融合继续推动全球对先进半导体的需求，不断增长的人口和城市化正在增加对先进消费电子设备的需求。芯片作为这些设备的核心，新兴技术的不断发展和要求正在成为芯片的重要增长驱动力。
全球人才竞赛：拥有技术背景的高技能人才在劳动力市场上非常稀缺，竞争也在加剧。行业公司正试图为增长增加人手，但高科技人才资源池却很浅，该行业在争夺一小部分具备开发创新解决方案技能的科学家、工程师和软件开发人员。全球对人才的争夺正变得越来越关键。STEM职位的数量预计将大幅增长，但由于合格候选人的短缺，填补这些职位颇具挑战性。留住人才已成为科技公司的关键。
全球地缘政治：目前的贸易环境给全球半导体产业带来了巨大的挑战，贸易紧张和保护主义的加剧可能会继续下去。这场全球蔓延的疫情提醒世界各国政府，全球供应链可能会对服务、原材料和最终产品产生重大的地理依赖。
半导体在大型工业联合体的成长和连续性中发挥着越来越重要的作用，各国政府已将注意力转向半导体供应链以确保供应充足，并计划对半导体产业进行大规模投资。根据外部数据，美国、中国、欧盟、日本和韩国预计使该行业2021年的年度资本支出增加近一倍，达到1500亿美元。除了财务方面的影响，贸易紧张和保护主义也给整个供应链及其过程带来了巨大的复杂性，迫使该行业重新审视其全球供应链。
扩大研发投资：在快速发展的半导体行业中，获取最新的技术、芯片设计和制造工艺是竞争的基础。芯片制造商面临的支持应用和终端市场正变得越来越复杂，同时，随着科技平台公司逐渐转向内部芯片设计，传统半导体公司面临着多元化投资组合的挑战。
此外，执行创新的增量成本正在上升，需要更高水平的研发投资来实现同样的目标。让产品更快地进入市场至关重要，否则芯片制造商将面临错失良机的风险。因此，尽快向客户提供解决方案的压力正在增加。
不断变化的环境：为了利用人工智能、物联网、5G和自动驾驶汽车等大趋势的融合，该行业正在大量投资于能够释放整个投资组合价值的资产。
全球半导体产业近年来呈现出巨大的增长，预计这一趋势将持续下去。该行业正重新聚焦于提高核心竞争力的技术和市场领域。集中在新兴技术上的合并、收购和合资企业预计将成为芯片市场战略的关键组成部分。
采取行动应对气候变化：气候变化在世界各地都是一个紧迫的问题。这是一项全球性挑战， 半导体制造过程消耗了大量的能源和水资源。随着摩尔定律的发展，芯片计算能力和存储容量的提高会加大对这些资源的需求。为了提高能源和水资源的利用效率，需要新的设备和看待整个生态系统的新方式。为了迎接这些挑战，半导体行业必须降低功耗。
对此，ASML提到，由于DUV和EUV平台具有通用性，因此可以更快、更具成本效益的进行创新、生产和维护。ASML正在对产品的能源效率进行投资，帮助降低生产晶圆所需的能源。此外，ASML还有一个致力于减少浪费的路线图，与客户和供应商合作在其价值链中尽可能地重复使用零部件、工具和包装，以防止不必要的浪费。
另外，从ASML对整个行业当前市场规模和市场机会的展望来看，不同细分应用市场的驱动因素也正在塑造半导体行业的格局，成为当前和未来推动行业发展的主要趋势。
ASML业绩增长背后
受全球芯片短缺、数字基础设施加速和“技术主权”推动，导致市场对先进和成熟节点的需求强劲增长。2021年，ASML的净销售额创下了186亿欧元的纪录，比去年增加了46亿欧元。
ASML CFO Roger Dassen表示，因为客户继续对先进和成熟节点的强劲需求，2021年逻辑系统的销售额增长了22亿欧元，增幅达30%;由于终端市场对服务器和智能手机的强劲需求，内存系统销售额增长了11亿欧元，增幅达39%。
净销售额的增长是由ASML所有技术的强劲需求推动的。ASML在2021年成功出货了42套EUV系统，包括26台用于大批量生产的第一个NXE:3600D。这使得EUV系统在2021年的收入达到63亿欧元，比2020年增加了18亿欧元。
所有技术的强劲需求推动了净销售额的增长(单位：百万欧元)
DUV系统销量也从2020年的227台增加到2021年的267台。除了EUV和DUV的增长，服务和现场选择的销售也是ASML整体净销售增长的关键驱动力，这一增长是由生产率、覆盖和升级包销售的增长所驱动，这为快速增加晶圆产量提供了最有效和高效的方式，并得到了不断增长的安装基础的支持。
为了满足客户对额外晶圆产能的需求，ASML加快了生产能力升级的交付，甚至在正常的工厂验收测试(FAT)完成之前发货，在客户工厂完成验收测试来加快系统的交付。
不难看到，正在进行的数字化转型和当前的芯片短缺进一步推动了ASML提高产能的需求，一方面，在数字转换和分布式计算的驱动下，对先进和成熟节点的逻辑需求继续强劲;另一边，受服务器和智能手机终端市场需求的推动，内存需求持续增长。为了满足DRAM和NAND的强劲需求增长，客户将增加产能并继续进行节点迁移。随着客户迁移到更高级的节点，ASML预计EUV对内存的需求会继续增加。
2019-2021年ASML来自逻辑和内存市场以及安装基础的营收数据(单位：百万欧元)
在研发投入方面，2021年ASML的研发成本为25.47亿欧元，相较于2020年22.08亿欧元的投入，这些增加的投资涉及整体光刻解决方案的EUV、DUV和应用程序项目，其中最重要的投资用于继续加强EUV大批量生产的路线图，以及EUV 0.55 NA的开发。
2020-2021年ASML研发投入(单位：百万欧元)
ASML预计，受健康的逻辑需求和内存市场增长的推动，预计2022年净销售额将比2021年增长约20%。预期的增长是由所有平台的销量增长以及安装基础业务的增长所推动的：
逻辑芯片部分：不断扩大的应用空间和长期的增长动力转化为对高级和成熟节点的强劲需求。随着需求的持续强劲，预计逻辑系统的收入将同比增长20%以上;
内存方面：随着系统利用率的提高，结合客户正在进行技术转型，以支持预计的增长。预计还需要额外的产能增加，因此，2022年内存市场对光刻设备的需求强劲，系统收入将同比增长25%左右;
EUV设备：随着客户对EUV的采用以及信心的增加，2022年预计将发货约55个EUV系统(其中6个系统的收入将推迟到2023年确认)，预计2022年EUV系统的收入将增长25%。
非EUV系统：在DUV和应用业务中，ASML预计浸没式和干式系统都将增长，同时对计量和检测系统的需求也将持续增长，预计非EUV出货收入增长超过20%。
展望2025到2030年，近十年都将围绕分布式计算，让云更接近边缘设备，通过连接，计算能力将为所有人提供“设备上”的计算能力，从而实现一个连接的世界。这些全球电子行业的大趋势，在一个高度盈利和激烈创新的生态系统的支持下，预计将继续推动整个半导体市场的增长。
这意味着先进节点和成熟节点对晶圆的需求都在增加，进而提升光刻设备的需求。根据不同的市场场景，ASML认为2025年有望实现240亿-300亿欧元左右的年销售额，毛利率在54%-56%之间。
ASML市场预期(图源：ASML)
ASML侵权“罗生门”
ASML年报中提到：“我们可能遭受恶意攻击，包括第三方或自己的员工窃取公司的商业秘密、专有客户数据、知识产权或其他机密信息。尽管我们努力保护知识产权，但未经授权的第三方也有可能获得、复制、使用或披露我们的专有技术、产品、设计、工艺和其他知识产权。2021年，我们获悉与XTAL公司有关联的一家公司——东方晶源，正在中国积极营销可能侵犯ASML知识产权的产品。”
近日，针对“ASML称东方晶源可能侵权”一事，东方晶源发布声明称，东方晶源自成立以来一直遵守中国法律法规、合法合规经营。秉承独立研发、自主创新的理念，东方晶源尊重、保护知识产权，并形成了独立、完备的知识产权体系。尽管东方晶源的声明没有提到ASML公司，但意思很显然是回应及反驳。
据公开资料显示，XTAL公司成立于2014年，由前ASML员工创立，2016年ASML对XTAL公司发起诉讼，2018年美国加州圣克拉拉联邦法院初步裁决，XTAL盗窃知识产权罪名成立，2019年法院发出最终判决结果，ASML获得胜诉，XTAL需赔偿ASML 8.45亿美元，ASML接手了已破产的XTAL的大部分知识产权。
荷兰金融报纸Financieele Dagblad 2019年曾报道，中国员工从ASML窃取了企业机密，造成数亿美元损失。报道称，调查发现ASML美国子公司研发部门的高级中国员工窃取了技术，并最终泄露给了中国公司。
然而，ASML或许也不想扩大事端，2019年，ASML分别在其官网和上贴出官方声明：“ASML并不认同‘中国间谍’说”。
据了解，东方晶源2021年公司完成28nm逻辑芯片关键工艺层良率硅片验证结果优异，持续突破技术壁垒，14nm计算光刻技术已就绪，首台套EBI产业化成果显著;公司于2021年度实现销售额迅速攀升过亿的“小目标”，接洽客户近60家，涉及存储、逻辑、第三代半导体领域等众多头部客户。
但根据产品的性能等级来看，东方晶源的产品其实还远到不了威胁ASML的地步，但是，ASML此次在2021年年报中又提及此事，称东方晶源可能与2018年因窃密而被判赔偿的XTAL公司有关联，且已经提示自己的特定客户不要协助或纵容东方晶源从事潜在侵权行为，同时也向中国相关机构表达了自己的担忧。
ASML称正在密切关注这一事项，并准备在适当时机采取法律行动，但又并未提供更多证据。这种说法出现在财报中，实属罕见。不免引人深思。
本文编选自半导体行业观察微信公众号，作者：L晨光，智通财经编辑：杨万林
