半導體解密：ASML曝光機憑什麼能一廠獨大？台積電總 ... - T客邦

曝光機的原理其實像幻燈機一樣簡單，就是把光透過帶電路圖的掩膜（Mask，後來也叫光罩）投影到塗有光敏膠的晶圓上。

早期60年代的光刻掩膜版以1：1的尺寸緊 ... T客邦為提供您更多優質的內容，採用網站分析技術，若您點選「我同意」或繼續瀏覽本網站，即表示您同意我們的隱私權政策。

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晶片之於曝光機，就如同人和大腦的關係，但縱覽幾十年全球曝光機產業的發展卻表現的差強人意，呈現出了唯有荷蘭ASML「一家獨大」的局面。

相關報導：為什麼ASML執行長會說，美國對中國的半導體制裁不但沒用而且可能損傷美國經濟？ 我們不禁也對此有很多疑問：為何全球對於製造曝光機的難度如此之大？ASML公司是如何做到曝光機產業中「全球霸主」的地位？為何該公司一台曝光機的售價達到了數億美元？ ▲（ASMLEUV光刻機TWINSCANNXE3400B，來源：ASML官網） 文章目錄 六個問題解密曝光機與ASML Q1：曝光機是做什麼的？在製造晶片的哪個過程發揮作用？ Q2：曝光機是對哪類晶片有影響？如果完全沒有曝光機，晶片是否還能正常生產？是否有替代品？ Q3：為什麼曝光機的造價如此之高？究竟是哪部分成本較高？ Q4：當前最知名的曝光機廠商是荷蘭的ASML，為什麼晶片強國美國、日韓沒有一家曝光機大廠？ Q5：為什麼台積電總是能優先拿到最新的ASML曝光機？兩間公司的關係是什麼？ Q6：有沒有能對ASML產生威脅的廠商？他們的技術水準如何？ 六個問題解密曝光機與ASML Q1：曝光機是做什麼的？在製造晶片的哪個過程發揮作用？ 曝光機（英文「MaskAligner」)，是製造微機電、光電、二極體大規模積體電路的關鍵裝置。

可以分為兩種，分別是模板與圖樣大小一致的contactaligner，曝光時模板緊貼晶圓；以及利用短波長雷射和類似投影機原理的步進式曝光機（英語：stepper）或掃描式曝光機（英語：scanner），獲得比模板更小的曝光圖樣。

晶片的製造流程極其複雜，我們可以概括為幾大步驟： 利用模版去除晶圓表面的保護膜。

將晶圓浸泡在腐化劑中，失去保護膜的部分被腐蝕掉後形成電路。

用純水洗淨殘留在晶圓表面的雜質。

其中曝光機就是利用紫外線波長的準分子雷射通過模版去除晶圓表面的保護膜的裝置。

曝光是製造流程中最關鍵的一步，曝光確定了晶片的關鍵尺寸，在整個晶片的製造過程中約佔據了整體製造成本的35%。

曝光的作用是將曝光版上的幾何圖形轉移到晶圓表面的曝光膠上。

首先曝光膠處理設備把曝光膠旋塗到晶圓表面，再經過分步重複曝光和顯影處理之後，在晶圓上形成需要的圖形。

原理示意圖如下： ▲（來源：科普中國） 根據曝光方式不同，可分為接觸式、接近式和投影式；根據曝光面數的不同，有單面對準曝光和雙面對準曝光；根據曝光膠類型不同，有薄膠曝光和厚膠曝光。

一般的曝光流程包括底膜處理、塗膠、前烘、對準曝光、顯影、刻蝕，去膠曝光檢驗等，可以根據實際情況調整流程中的操作。

Q2：曝光機是對哪類晶片有影響？如果完全沒有曝光機，晶片是否還能正常生產？是否有替代品？ 目前，無論是汽車晶片，手機晶片還是其他領域，包括軍用，航空太空等應用的晶片都離不開曝光機。

而曝光機本身按照應用可以分為幾類，用於晶片前道製造的曝光機，用於後道晶片封裝的曝光機和應用於LED製造領域的投影曝光機。

1955年，貝爾實驗室的朱爾斯‧安德魯斯和沃爾特‧邦德開始把製造印刷電路板的曝光技術應用到矽片上。

1958年，仙童半導體公司的傑‧拉斯特和諾伊斯製造出了第一台曝光照相機，用於矽基晶體三極管的製造。

1961年，美國GCA公司製造出了第一台曝光機，從此曝光成為晶片製造中最重要的環節。

因為目前的晶片都還是矽基晶片，歷經大半個世紀的發展，從最初的電子管到電晶體，再到內建電路的發明，電晶體的關鍵尺寸一步一步縮小，而在奈米等級的尺度進行電路雕刻，目前我們所掌握的技術只有曝光。

光刻技術在發展中不斷的優化，是一步一步從歷史的實踐中得出來的工藝，如果想另闢蹊徑，我們將面對的是未知的黑暗與技術深淵，其難度不低於研發出高階曝光機。

所以如果沒有曝光機，晶片是無法正常製造的，目前也沒有替代品。

Q3：為什麼曝光機的造價如此之高？究竟是哪部分成本較高？ 一台高階曝光機的造價需要上億美元，甚至比一台波音的客機還要貴。

如此之昂貴的原因是因為其涉及系統內建、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術，是所有半導體製造設備中技術含量最高的設備。

其中最關鍵零件之一，由德國蔡司生產的反射鏡必須要做到史無前例的光滑度，瑕疵大小僅能以皮米（奈米的千分之一）計。

這樣的精度是什麼概念？ASML總裁暨執行長彼得（PeterWennink）在接受媒體專訪時解釋，如果反射鏡面積有整個德國大，最高的突起處不能高於一公分！ 因此，曝光機也具備極高的單台價值量，目前世界上最先進的ASMLEUV曝光機單價達到近一億歐元，可滿足5nm晶片工藝的生產。

ASML的光源來自於美國Cymer，光學模組來自德國蔡司，計量設備來自美國，但屬於德國科技，它的傳送帶則來自荷蘭VDL集團。

一台光刻機90%零件都是透過全球採購，當中涉及到4個國家十多家公司，而下遊客戶的利益也與ASML牢牢捆綁。

▲（註：ASML光刻機，來源：ASML官網）   Q4：當前最知名的曝光機廠商是荷蘭的ASML，為什麼晶片強國美國、日韓沒有一家曝光機大廠？ 要想知道為什麼最好的曝光機來自荷蘭，而不是美國，得從半導體發展的三個歷史階段說起。

第一階段：上世紀60~70年代是早期發展階段。

當時美國是走在世界前面的，那時候還沒有ASML。

曝光機的原理其實像幻燈機一樣簡單，就是把光透過帶電路圖的掩膜（Mask，後來也叫光罩）投影到塗有光敏膠的晶圓上。

早期60年代的光刻掩膜版以1：1的尺寸緊貼在晶圓片上，而那時的晶圓也只有1英吋大小。

▲（註：光刻技術原理圖，圖片來源於網路） 因此，曝光那時並不是高科技，半導體公司通常自己設計工裝和工具，比如英特爾開始是買16毫米攝像機的鏡頭拆了用。

只有GCA、K&S和Kasper等很少幾家公司有做過一點點相關設備。

60年代末，日本的Nikon和佳能開始進入這個領域，畢竟當時的曝光不比照相機複雜。

1973年，拿到美國軍方投資的PerkinElmer公司推出了投影式曝光系統，搭配正性曝光膠非常好用而且良率頗高，因此迅速佔領了市場。

1978年，GCA推出了世界上第一台商用步進曝光機DSW4800（directsteptowafer）。

該機器使用g線汞燈和蔡司光學零組件。

以10:1的比例將晶片線路成像到10毫米見方區域。

該機器價格為45萬美元，第一台機器以37萬美元的價格賣給了德州儀器的研發部門。

由於剛開始DSW4800的生產效率相對較低，所以PerkinElmer在後面很長一段時間仍處於主導地位。

第二階段是在80-90年代，半導體產業的第一次「轉移」。

80年代左右，因為美國扶植，最開始是將一些裝配產業向日本轉移，而日本也抓住了機會，在半導體領域趁勢崛起。

在90年代前後，日本的半導體產業成為了全球第一，高峰期時佔據了全球超過60%的市佔率，出口額全球第一，超過美國。

在那個晶片製程還停留在微米的時代，能做光刻機的企業，少說也有數十家，而Nikon憑藉著相機時代的積累，在那個日本半導體產業全面崛起的年代，成為了當之無愧的巨頭。

短短幾年，Nikon就將昔日曝光機大國美國拉下馬，與舊王者GCA平起平坐，拿下三成市場市佔率。

▲（註：Nikon曝光機，來源於Nikon官網） Q5：為什麼台積電總是能優先拿到最新的ASML曝光機？兩間公司的關係是什麼？ Nikon作為九十年代最大的曝光機巨頭，它的衰落，說來也充滿偶然，始於那一回157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術之爭。

當時的光刻機的光源波長被卡死在193nm，是擺在全產業面前的一道難關。

降低光的波長，從光源出發是根本方法，但高中學生都知道，光由真空入水，因為水的折射率，光的波長會改變——在透鏡和矽片之間加一層水，由於水對193nm光的折射率高達1.44，原有的193nm雷射經過折射，不就直接越過了157nm的天塹，降低到134nm了嗎！ ▲（註：浸沒式光刻可縮短等效波長，來源：Nikon，《奈米內建電路製造工藝》） 2002年，時任台積電前研發副總經理的林本堅拿著這項「沉浸式曝光」方案，跑遍美國、德國、日本等國，遊說各家半導體巨頭，但都吃了閉門羹。

當時還是小角色的ASML（1984年飛利浦和一家小公司ASMInternationa以50:50組成的合資公司，最初員工只有31人）決定賭一把，相比之前在傳統乾式微影上的投入，押注浸潤式技術更有可能以小博大。

於是ASML和林本堅一拍即合，僅用一年多的時間，就在2004年拼全力趕出了第一台樣機，並先後奪下IBM和台積電等大客戶的訂單。

也因此，台積電與ASML關係可以說非常深遠。

第三階段，也就是這間荷蘭ASML的崛起。

1997年，英特爾攢起了一個叫EUVLLC的聯盟。

聯盟中的名字個個如雷貫耳：除了英特爾和牽頭的美國能源部以外，還有摩托羅拉、AMD、IBM，以及能源部下屬三大國家實驗室：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室和勞倫斯柏克萊實驗室。

這些實驗室是美國科技發展的幕後英雄，他們之前的研究成果覆蓋了物理、化學、製造業、半導體產業的各種前沿方向，有核武器、超級電腦、國家點火裝置，甚至還有二十多種新發現的化學元素。

資金到位，技術入場，人才雲集，但偏偏聯盟中的美國曝光機企業SVG、Ultratech早在80年代就被Nikon打得七零八落，根本爛泥扶不上牆。

於是，英特爾力邀ASML和Nikon加入EUVLLC。

但問題在於，這兩家公司，一個來自日本，一個來自荷蘭，都不是本土企業。

▲（註：Ultratech光刻機，圖片來源於網路） 當時的美國政府將EUV技術視為推動本國半導體產業發展的核心技術，並不太希望外國企業參與其中，更何況是八九十年代在半導體領域壓了美國風頭的日本。

但EUV曝光機又幾乎逼近物理學、材料學以及精密製造的極限。

光源功率要求極高，透鏡和反射鏡系統也極致精密，還需要真空環境，其配套的抗蝕劑和防護膜的良品率也不高。

別說日本與荷蘭，就算是美國，想要一己之力自主突破這項技術，可以說是比登天還難，畢竟美國已經登月了。

最後，ASML同意在美國建立一所工廠和一個研發中心，以此滿足所有美國本土的產能需求。

另外，還保證55%的零組件均從美國供應商處採購，並接受定期審查。

所以為什麼美國能禁止荷蘭的曝光機出口中國，一切的原因都始於此時。

錯失EUV的Nikon，還未完全失去機會，讓它一蹶不振的，是盟友的離開。

當時的英特爾為了防止核心設備供應商一家獨大，製作22nm的晶片還是一直採購ASML和Nikon兩家的曝光機。

但「備胎終究是備胎」，一轉身，英特爾就為了延續摩爾定律的節奏，巨資入股ASML，順帶將EUV技術託付。

另一邊，相比一步步內建了全球製造業精華的ASML，早年間就習慣單打獨鬥的Nikon在遭遇美國封鎖後，更是一步步落後，先進設備技術跟不上且不提，就連落後設備的製造效率也遲遲提不上來。

而佳能在曝光機領域一直沒有爭過老大，當年它的數位相機稱霸世界，利潤很高，但是對一年銷量只有上百台的曝光機根本沒有給予重視。

2012年，英特爾連同三星和台積電，三家企業共計投資52.29億歐元，先後入股ASML，以此獲得優先供貨權，結成緊密的利益共同體。

在2015年，第一台可量產的EUV樣機正式發佈，意味著在7nm以下的先進工藝節點，ASML再無對手！ Q6：有沒有能對ASML產生威脅的廠商？他們的技術水準如何？ 除了ASML，目前世界上其他比較先進的光刻機廠商分別是日本的Nikon和佳能。

從目前Nikon的官網上可以看到Nikon最先進的曝光機型號為NSR-S635E。

▲（註：Nikon的最先進NSR-S635E曝光機，來源：Nikon官網） 從其關鍵參數和介紹來看，其光源波長為193nm，水準大致相當於ASMLDUV曝光機的水準。

不過，依照ASML、Nikon、佳能三家公司的官方數據整理得知，去年全球曝光機總銷售量為413台。

其中ASML銷售258台佔比62%，佳能銷售122台佔比30%，Nikon銷售33台佔比8%。

按照銷售額來計算的話，因為最昂貴的EUV只有ASML製造銷售，所以總的市佔率依次是91%、3%、6%。

所以目前無論是Nikon還是佳能都無法對ASML構成威脅。

▲（註：NikonNSR-S635E曝光機參數表，來源：Nikon官網） 本文授權轉載自：36kr FacebookLINE 關注T客邦 粉絲專頁 官方帳號 官方頻道影音頻道 IG帳號 標籤：新聞,asml,半導體/電子產業 使用Facebook留言 謹慎發言，尊重彼此。

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