從光刻機的發展,看懂ASML為何是不可取替

晶圓的光刻工藝原理示意

雙工作檯與浸沒式設備是發展轉折點。 公司在 1986 時推出第一步進式（stepper）光刻機， 提高掩模的使用效率與光刻精度， 將半導體工藝製程向上提升一個臺階；在 2001 年, 公司推出採用雙工作檯的設備， 能在矽晶圓在一個工作檯進行光刻曝光時，同時將另一片晶圓在第二個工作檯進行測量對位，大幅提高工作效率與對位精度，此一設計受到客戶極大青睞，鞏固了公司的市場地位；

光刻機示意圖

而在 2007 年， 阿斯麥配合臺積電的技術方向， 推出了 193nm 光源的浸沒式系統，在光學鏡頭與矽晶圓片導入液體作為介質，在原有光源與鏡頭的條件下，能顯著提升蝕刻精度，成為目前高端光刻的主流技術方案，一舉壟斷市場。 尼康與佳能原本主推 157nm 光源的乾式光刻，但此一路線為市場所放棄，也成為這兩家公司邁入衰退的重要原因。

阿斯麥的革命性產品

專注關鍵環節，研發投入與專業併購形成正向循環。 阿斯麥的研發人員佔比將近 4 成，並累計 1 萬個以上專利。 相較於尼康及佳能內部研發多數部件與技術的模式， 阿斯麥推行部件外包與技術合作開發策略，專注於核心技術與客戶需求，具有較高的方案彈性與效率； 公司先後對光刻的細分領域龍頭進行投資， 其中包括在 2000 年收購 Silicon Valley Group，擴展了在美國的研發團隊與生產基地； 在 2007 年收購了美國的 Brion， 強化了專業光刻檢測與解決方案能力；在 2013 年完成對紫外光源龍頭 Cymer 的收購， 以及在 2016 年取得光學鏡片龍頭德國蔡司 24.9%的股份， 後兩起對技術供應商的投資，加大了公司在極紫外光領域的領先優勢。

近年營收穩健增長，2017 年進入高周期

在 2012-16 年，由於半導體行業升級減速， 設備行業出現低增長甚至衰退。 公司營收增速放緩，但仍維持在 10%左右的增長率。 2016 年下半後， 14nm 與 10nm 製程陸續進入量產， 公司浸沒式的 DUV 光刻設備需求持續強勁；同時公司推出的 EUV 光刻系統，是 7nm以下製程的關鍵設備，成為一線晶圓廠的資本支出的重點。在 2016 年，公司營收達到新高的 67 億歐元（+8.1%），淨利潤 15 億歐元（+5.5%）； 2017 年 Q3 銷售金額 24 億歐元，同比增長 34.8%，全年營收增長率有望突破 25%，較 2015 和 2016 年不到 10%的增速水平有明顯進步。

阿斯麥 2012-2016 營收與利潤（單位：百萬歐元）

邏輯代工與存儲行業為主要客戶，受益於 3D 存儲市場蓬勃發展。 公司在 2017 年 Q3財報中指出， 該年的主要營收貢獻來自內存晶片客戶； DRAM 市場的終端需求強勁， 公司的相關板塊營收， 預估將同比增長 50%， 而來自邏輯晶片的營收， 也可望增長 15%以上。 此外， 以 Nand Flash 為主的存儲器件， 市場需求持續強勁， 2017 年 Q3 存儲相關的設備預訂量， 佔公司總預訂金額 77%， 份額環比增長將近兩倍， 是近期公司拉升營收的關鍵因素。

2017Q3 營收結構，以產品技術及終端應用拆分

具備全線光刻設備產品， EUV 設備為高端產品剛性需求。 公司的光刻設備，主要是TWINSCAN 產品， 按低端至高端又分為 XT、 NXT 以及 NXE 幾個子系列。 XT 系列是成熟的機型， 具有乾式和浸沒式兩種； NXT 系列全部為浸沒式，是主推的高端機型，以 ArF 和KrF 雷射光源，量產加工產量每小時可達 250 片，為目前行業中高端主流設備。 XT 與 NXT系列使用的是深紫外光（DUV， Deep Ultra Violet）， 而 NXE 系列使用最先進的極紫外光（EUV， Extreme Ultra Violet）。由於目前在 EUV 領域，其他廠商仍處於研發或試用階段，距離量產還有數年差距， NXE 系列壟斷 10nm 以下的市場，可望幫助公司維持營收盈利的高增速。

阿斯麥單季營收高增長（單位：百萬歐元）

在 2017 年 Q3 的收入結構中， 季度營收 18 億歐元，其中 ArF 浸沒式光刻機 63%， ArF乾式光刻機 2%， KrF 光刻機 10%， EUV 光刻設備 21%，檢測設備及 I-line1%。 ArF 和 KrF光源屬於 DUV 光刻設備，佔據公司單季收入的 75%，是目前主要營收來源； 在 2017 年前三季，阿斯麥已售出 EUV 設備 6 臺， ArF 浸沒式設備 56 臺， ArF 乾式設備 9 臺，KrF 設備51 臺和 I-Line 設備 19 臺，平均來說，中高端設備單臺售價超過 7000 萬美元，高端 EUV設備單臺售價超過 1 億美元。

2017 年阿斯麥各類光刻產品售出情況

光刻設備是半導體進化的重要推手

半導體產業鏈龐大，上遊設備具備高技術門檻。 整個半導體產業鏈主要包括 IC 設計、晶圓製造、封裝測試等環節， 分為前段工序和後段工序，前工序以電路設計與晶圓加工為主，在矽片等介質上設計與製作集成電路（IC， integrated circuit）；後工序以分割載有集成電路的晶圓片為起點，經過切割、封裝和測試等工序，最終製成我們所見的晶片產品。

半導體的製作流程

半導體工序流程與技術複雜，縮減晶片尺寸需要行業整體投入。 英特爾公司創始人之一 Gordon Moore 在曾經提出，在同樣成本下， 在每一單位面積的矽晶圓上的電晶體數量， 每隔 18-24 個月就會增加一倍。 Moore 的表述，符合往後數十年的行業發展狀況，因此被稱為摩爾定律（Moore’s Law）。如何縮減集成電路尺寸來改善散熱效果與計算能力，提升相關的製程工藝與設備能力，成為半導體產業的共同目標。

半導體行業產業鏈及重點相關公司

隨著半導體進入納米製程，技術已經逼近材料特性與加工工藝的物理極限，摩爾定律已經逐漸失效， 在 2012 年， 光刻技術缺少革命性的變化， 摩爾定律開始出現速度趨緩的跡象，當年全球半導體產業營收出現了 2.6%的負成長，不復以往動輒兩位數字的成長表現， 並在2015 年出現了 2.3%的負成長。

摩爾定律進展：單位面積的晶體密度（左）與 1 美元能購買的晶體數（右）

業界除了將希望寄托在 EUV 來改善光刻能力，同時也改善晶片堆疊結構，譬如鰭式場效電晶體（FinFET）與三維集成電路（3D IC）等技術。 研究機構 International Business Strategies 估計，當半導體製程走向 5 納米節點， IC 設計成本將會接近 14/16 納米製程的三倍，業者需要大量的產品銷售額才能回收投資。

晶片開發成本隨著製程快速增加

半導體設備門檻日益加大， 第一梯隊高增長。 由於研發成本與設備支出高昂，設備行業巨頭在高端領域形成寡佔。據 Gartner 統計， 2016 年全球半導體晶圓級製造設備，市場規模達 374 億美元，前 5 大設備廠商佔據了 67.6%市場份額。

2016 年全球半導體設備市場份額（%）

觀察前三大廠商在 2016 年的經營表現， 行業龍頭應用材料 2016 年營收超過 100 億美元，阿斯麥營收 71.5 億美元，拉姆研究 58.8 億美元。過去三年的淨利潤增速，阿斯麥落後與應用材料與拉姆研究，但營業利潤率顯較好（23%）。我們認為，這是由於公司在高端光刻設備領域接近壟斷，支撐了產品議價能力。

光刻設備決定了晶圓的工藝能力

光刻是製作半導體線路的關鍵製程，決定了線路的精密度。 光刻（lithography）設備是一種投影系統， 這個設備由紫外光源、光學鏡片、對準系統等部件組裝而成。 在半導體製作過程中， 光刻設備會投射光束， 穿過印著圖案的掩模及光學鏡片，將線路圖曝光在帶有光感塗層的矽晶圓上。 通過蝕刻曝光或未受曝光的部份來形成溝槽， 然後再進行沉積、蝕刻、摻雜，架構出不同材質的線路； 此製程被一再重複， 就能將數以十億計的 MOSFET 或其他電晶體，建構在矽晶圓上，形為一般所稱的集成電路。

半導體製程越先進，光刻設備便需要越精密複雜，包括高頻率的雷射光源、光掩模的對位精度、設備穩定度等等，集合了許多領域的最尖端技術。 因此光刻機被譽為半導體產業皇冠上的明珠， 具有高度的技術與資金門檻。 能生產高端光刻機的廠商非常少， 以荷蘭 ASML、日本 Nikon、 和日本 Canon 三大品牌為主。德國 SUSS、美國 MYCRO、以及中國部分品牌，能提供低端的接觸式與接近式光刻機； 上海微電子（SMEE）也已研製出中端投影式光刻機。但到 14nm 及以下製程，目前只有阿斯麥的設備被晶圓業者用來投入量產，獨步全球。

光刻機的進化迭代

產品價格高昂但技術領先，成為一線晶圓廠首選。 阿斯麥推行部件外包與技術合作開發策略，專注於核心技術與客戶需求。從 2000 年後阿斯麥推出雙工作檯設備後，逐步佔據市場統治地位， 無論是設備的精度水平與工作效率均具有全球領先水平； 尼康與佳能的自有研發比重高，牽制了產品規劃的靈活性。在先進位程落後阿斯麥之後，目前最大的優勢僅在於

成本，許多同類機型價格是 ASML 的一半甚至更低。

但是在邏輯及存儲晶片所使用的先進位程中，設備能力與生產效率往往是晶圓業者的第一考量，所以尼康與佳能的銷售機型，集中在 KrF 或低階的 ArF 光刻機，用於在精度要求不高的製程，譬如 LED 與面板領域的投影光刻機，以及晶片封裝使用的後道光刻機。 由於毛利較高產品線被阿斯麥所掌控，這兩家廠商只能縮減研發費用，尼康的設備能力已經落後阿斯麥一個世代，佳能的產品進度還要更慢。

阿斯麥持續推動行業製程水平

阿斯麥是光刻技術的重要推手。 最早的光刻機採用接觸式曝光， 掩模直接貼在晶圓片上來進行曝光， 容易有製程汙染與掩模壽命問題；後來的接近式光刻機， 利用氣墊在掩模和矽片之間製造微小空隙， 但也影響了成像精度。 一直到 80 年代的掃描投影曝光，利用光學鏡頭來調整距離與改善成像質量，才能做到微米（μm）以下的精度。 阿斯麥在 1986 時推出步進式（stepper）光刻機， 提高掩模的使用效率與光刻精度，將半導體工藝製程向上提升一個臺階。

同時在 2001 年推出採用雙工作檯設備，大幅提高工作效率與精度，成為市佔率大幅提升的關鍵。 2007 年推出浸沒式（溼式）系統，在原有光源條件下縮短光波波長，自此確立了在光刻設備的龍頭地位。

光刻機的光源是核心， EUV 是下一代光刻的利刃。 光刻機使用的光源有幾項要求：

有適當的波長（波長越短，曝光的特徵尺寸就越小），同時有足夠的能量，並且均勻地分布在曝光區。

實現光刻進步的直接方法， 是降低使用光源的波長。 早期的紫外光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），經過濾光後使用其中的 g 線（436 nm）或 i 線（365 nm）。其後採用波長更短的深紫外光光源， 是一種準分子雷射（Excimer laser），利用電子束激發惰性氣體和滷素氣體結合形成的氣體分子， 向基態躍遷時所產生雷射，特色是方向性強、波長純度高、輸出功率大， 例如 KrF （248 nm）、 ArF（193 nm）和 F2（157 nm）等。使用 193nmArF 光源的幹法光刻機，其光刻工藝節點可達 45nm，採用浸沒式與光學鄰近效應矯正等技術後，其極限光刻工藝節點可達 28nm。

主流光刻機的關鍵組成

首創雙工作檯，大幅提升生產效率。 在 2000 年前光刻設備， 只有一個工作檯， 晶圓片的對準與蝕刻流程都在上面完成。 公司在 2001 年推出的 Twinscan 雙工作檯系統， 是行業的一大進步， 使得光刻機能在一個工作檯進行曝光晶圓片， 同時在另外一個工作檯進行預對準工作， 並在第一時間得到結果反饋，生產效率提高大約 35%，精度提高 10%以上。 雙工件臺系統雖然僅是加一個工作檯，但技術難度卻不容小覷， 對工作檯轉移速度和精度有非常高的要求。 阿斯麥的獨家磁懸浮工件臺系統，使得系統能克服摩擦係數和阻尼係數，其加工速度和精度是超越機械式和氣浮式工件臺。

雙工作檯光刻設備的構造示意圖

浸沒式光刻與二次曝光提升工藝能力，填補 EUV 問世前的演進缺口。 浸沒式光刻是指在鏡頭和矽片之間增加一層專用水或液體， 光線浸沒在液體中曝光在矽晶片圓上； 由於液體的折射率比空氣的折射率高，因此成像精度更高。從而獲得更好解析度與更小曝光尺寸。

2002年業界提出了 193nm 浸入式光刻的設備規劃，由於 193nm 的光譜在水中的折射率高達 1.44（折射率越高，蝕刻精度也越好），等效波長縮短為 134nm，設備廠商只需對現有設備做較小的改造， 就能將蝕刻精度提升 1-2 個世代。阿斯麥首先推出 193nm 的浸沒式設備， 效果優於 157nm 光源的設備， 成功將 90nm 製程提升到 65nm， 徹底打敗選擇乾式蝕刻路線的尼康與佳能，是行業格局的重要轉折。

到了 2010 年後， 製程工藝尺寸進化到 22nm， 已經超越浸沒式 DUV 的蝕刻精度，於是行業開始導入兩次圖形曝光工藝，以間接方式來製作線路； 即不直接曝光管線部分，而是先曝光出兩側管壁， 間接形成線路區域。兩次曝光雖然能製作比光源精度更高的集成電路，但副作用是光刻次數與掩模數量大增，造成成本上升及生產周期延長，所以波長更短、精度更高的光源，才是提升製程能力的關鍵。對於使用浸沒式+兩次圖形曝光的 ArF 光刻機，工藝節點的極限是 10nm。 EUV 光刻機可望使工藝製程繼續延伸到 7nm 與 5nm。

浸沒式光刻與二次圖形曝光示意圖

阿斯麥 EUV 獨步全球，是近期核心驅動

半導體行業目前最大的瓶頸， 在於摩爾定律的實現成本越來越大，製程微縮不再伴隨晶體管單位成本同步下降。 在從 32/28nm 節點邁進 22/20nm 節點時， 由於光刻精度不足，需使用二次曝光等技術來實現，設備與製作成本雙雙提高， 電晶體的單位成本首次出現不降反升。

業界將希望寄托在極紫外光（EUV）微影技術， 期望 EUV 設備的高精度，能幫助廠商減少光刻的工序，提高 7nm 以下的晶圓量產性。 2013 年阿斯麥 EUV 光刻設備研發成功，光源波長 22nm，技術逐步推進， 2017 年的設備已採用最小 13nmEUV 作為光源，超短波長使 7nm 以下特徵尺寸曝光得以實現。 隨著業界製程走向了 10nm 以下，需要更高級的 EUV光刻系統，全球只有阿斯麥的 NXE 系列能夠滿足需求。

先進位程複雜度與 EUV 設備效益

EUV 工藝聚集了多個領域的頂尖技術。 EUV 要具備量產性， 有幾個技術瓶頸必須克服；首先在光源上。 極紫外光的波長為 13.5nm，這種光容易被包括鏡頭玻璃內的材料吸收，所以需要使用反射鏡來代替透鏡； 普通打磨鏡面的反射率還不夠高，必須使用布拉格反射器（Bragg reflector，一種複式鏡面設計，可以將多層的反射集中成單一反射）。

此外，氣體也會吸收 EUV 並影響折射率，所以腔體內必須採用真空系統。為了解決 EUV 的光源問題，2012年 10 月，阿斯麥斥資 19.5 億歐元，收購其關鍵的光學技術提供商 Cymer，加速極紫外光（EUV）相關技術的開發。 公司 2017 年的 EUV 設備 NXE 3400B， 成功提高光源功率與精度， 實現約 13 納米的線寬， 並且採用磁懸浮系統來加速掩模及工作檯， 預期吞吐量可達每小時 125 片晶圓， 微影迭對（overlays）誤差容許度在 3 納米以內。

EUV 光刻與反射式鏡頭示意圖

在以往 DUV 時期， 需要以多重光罩才能實現的 7nm 製程， 新型 EUV 系統可望只要單一光罩步驟就可完成；但在 5nm 或以下的製程，還會面臨多次圖形曝光的問題， 仍需要提高下一代 EUV 設備在光源以外的能力。 為此，公司在 2016 年以 11 億美元收購光學大廠蔡司（CarlZeiss）的 24.9%股份， 並承諾 8.4 億美元的研發投入， 聯手研發數值孔徑（numericalaperture， NA）高於 0.5 的鏡頭。第二代 EUV 微影預計要到 2024 年後量產， 屆時計劃實現約 8 納米的線寬，每小時處理 185 片晶圓， 迭對誤差容許度小於 2 納米。

阿斯麥此次大手筆投資蔡司進行共同開發，顯示阿斯麥對於下一代 EUV 設備的必勝決心。巨頭導入 EUV 的進程不一， 設備需求能延續 3 年以上。 全球半導體產業在進入 7nm 製程世代之後，可望是臺積電、三星電子、 格羅方德三強對決局面。 2012 年，三星和臺積電分別向阿斯麥注資 5 億和 15 億歐元， 以加強與公司的戰略合作；

根據調研機構 Anandtech所匯集的各家路線圖，臺積電是最快到達 7nm 工藝製程的廠商。臺積電對外宣布， 針對高速運算市場，量身打造人工智慧與數據分析專用的平臺，預估 2018 年 H1 就具備 7nm 量產能力； 緊接著在 2019 年的第二代 7nm，導入阿斯麥的 EUV 設備，並有望同年試產 5nm 製程產品。 其他廠家方面， 三星則決定在 2018 年第一代的 7nm 就直接讓 EUV 技術上線； 格羅方德則承襲 IBM 技術自行研發 7 納米，同樣預計 2018 年下半年量產， 但第一代是使用DUV，而導入 EUV 需要到 2019 年。 Intel 則因成本考慮， 要到 2021 年才開始用 7nm 工藝接替 10nm 製程。

主要晶圓廠商的先進位程路線

專注光刻擴大技術優勢，塑造剛性客戶需求

公司技術優勢明顯，保持行業領先。公司在 2013 年首次推出極紫外光設備 NXE 3300B，但是精度與效率不具備 10nm 以下製程的生產效益；直到 2016 年後的 3400B，光學與機電系統的技術有所突破，極紫外光源的波長縮短至 13nm，每小時處理晶圓 125 片，或每天可1500 片；連續 4 周的平均生產良率可達 80%，兼具高生產率與高精度。隨著晶片尺寸不斷縮小， EUV 設備未形成行業剛需，目前全球一線的邏輯晶圓與存儲晶圓廠商，均採購阿斯麥 TWINSCAN 機型，其中英特爾、三星、臺積電三大巨頭，紛紛入股阿斯麥，以謀求其高端光刻設備共同開發與優先採購權。

EUV 光刻機 NXE3400B 的構造示意圖

由於公司的浸沒式 EUV 光刻設備，能幫助客戶實行量產 7nm 和 5nm 的晶圓製程，並達到 2.5 納米的迭對精度， 未來出貨量可觀。 2017 年上半年，公司售出 2 臺 EUV 設備， Q3單季度倍增到 4 臺； 預計 Q4 還有 6 臺交付，帶來 3 億歐元單季收入，計劃 2018 與 19 年均可出售超過 20 臺。

阿斯麥 EUV 光刻設備 TWINSCAN NXE 系列

整體而言， 公司在 2017Q3 單季營收 18 億歐元，前三大產品線為 ArF（63%）， EUV（21%）， KrF（10%）。 3D NAND 客戶對於 KrF 乾式光刻系統的需求持續升高，目前相關設備的未出貨訂單已累積超過 20 臺，顯示出公司由中端到高端的產品均居市場領導地位。

2016 年 EUV 設備生產效率和良率返回搜狐，查看更多