揭秘ASML如何生產(chǎn)“天價(jià)光刻機(jī)”？

在荷蘭一處大型實(shí)驗(yàn)室的嚴(yán)密大門(mén)之后，一臺(tái)機(jī)器正徹底革新微芯片的制造模式 —— 這便是 ASML 耗時(shí)近十年研發(fā)的高數(shù)值孔徑（High NA）光刻機(jī)。這臺(tái)設(shè)備造價(jià)超 4 億美元，堪稱(chēng)全球最先進(jìn)、最昂貴的芯片制造設(shè)備。

CNBC 于 4 月探訪了荷蘭的該實(shí)驗(yàn)室。在此之前，High NA 設(shè)備從未被公開(kāi)拍攝過(guò)，甚至 ASML 內(nèi)部團(tuán)隊(duì)也少有機(jī)會(huì)記錄其真容。實(shí)驗(yàn)室中，High NA 認(rèn)證團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Assia Haddou 近距離展示了這臺(tái) “比雙層巴士還要龐大” 的設(shè)備。

該機(jī)器由四個(gè)模塊組成，分別在美國(guó)康涅狄格州、加利福尼亞州、德國(guó)和荷蘭完成制造，隨后在荷蘭費(fèi)爾德霍芬的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行組裝、測(cè)試與認(rèn)證，最后拆解運(yùn)輸。Haddou 提到，運(yùn)送一套系統(tǒng)需要七架部分裝載的波音 747 飛機(jī)，或至少 25 輛卡車(chē)。

2024 年，全球首臺(tái) High NA 設(shè)備在英特爾俄勒岡州的芯片工廠完成商業(yè)化應(yīng)用。截至目前，這類(lèi)巨型設(shè)備僅交付了五臺(tái)。能夠負(fù)擔(dān)其成本的廠商寥寥無(wú)幾，包括臺(tái)積電、三星和英特爾，它們正加速生產(chǎn)以制造數(shù)百萬(wàn)顆芯片。

High NA 設(shè)備是 ASML 極紫外光刻機(jī)（EUV）的最新一代產(chǎn)品。作為 EUV 設(shè)備的獨(dú)家制造商，ASML 的 EUV 是全球唯一能投射最先進(jìn)微芯片最小電路藍(lán)圖的光刻設(shè)備。英偉達(dá)、蘋(píng)果和 AMD 等巨頭的芯片設(shè)計(jì)均依賴(lài) EUV 技術(shù)。ASML 表示，所有 EUV 客戶(hù)最終都將采用 High NA 技術(shù)，其中還包括美光、SK 海力士和 Rapidus 等其他先進(jìn)芯片制造商。

全球科技研究與咨詢(xún)公司 Futurum 集團(tuán)首席執(zhí)行官 Daniel Newman 指出：“ASML 已完全壟斷了這一市場(chǎng)。” 當(dāng) CNBC 記者詢(xún)問(wèn) ASML 總裁兼首席執(zhí)行官傅恪禮（Christophe Fouquet）“是什么阻止 ASML 進(jìn)一步提高設(shè)備價(jià)格” 時(shí)，他解釋道，隨著設(shè)備升級(jí)，芯片生產(chǎn)成本反而會(huì)降低。傅恪禮表示：“摩爾定律告訴我們，必須持續(xù)降低持有成本。人們普遍認(rèn)為，成本下降能創(chuàng)造更多機(jī)會(huì)，因此我們必須參與這場(chǎng)競(jìng)賽?！?/p>

ASML 的兩大主要客戶(hù)已證實(shí)，High NA 相比前代 EUV 設(shè)備性能顯著提升。今年 2 月的一場(chǎng)會(huì)議上，英特爾透露已使用 High NA 生產(chǎn)約 3 萬(wàn)片晶圓，其可靠性約為前代產(chǎn)品的兩倍；三星則表示，High NA 可將生產(chǎn)周期縮短 60%，意味著芯片每秒能完成更多運(yùn)算。

“一場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)的投資”

High NA 通過(guò)提升速度與性能，既能降低芯片價(jià)格，又能提高良率 —— 即每片晶圓上的可用芯片數(shù)量更多。這得益于其更高的分辨率，可精準(zhǔn)投射芯片設(shè)計(jì)圖形。High NA 延續(xù)了 EUV 的工藝流程，但采用了更高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，能用更少工序?qū)崿F(xiàn)更小尺寸的芯片圖形投影。

ASML 技術(shù)執(zhí)行副總裁 Jos Benschop 表示：“High NA 有兩點(diǎn)核心優(yōu)勢(shì)：首先是圖形微縮能力提升，意味著每片晶圓可容納更多芯片單元；其次，通過(guò)減少多次曝光，能加快生產(chǎn)速度并提高良率?！盉enschop 于 1997 年加入 ASML（彼時(shí)公司上市僅兩年），曾推動(dòng) ASML 全力投入 EUV 技術(shù) —— 這項(xiàng)技術(shù)耗時(shí) 20 余年才研發(fā)成功。“但人們往往忽略了一點(diǎn)：我們差點(diǎn)沒(méi)能推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)?！?他說(shuō)，“這是一場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)的前瞻性投資，因?yàn)轫?xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，我們根本無(wú)法確定技術(shù)能否成功。”

2018 年，ASML 證明了 EUV 的可行性，此后各大芯片制造商開(kāi)始批量訂購(gòu)。而在二十年前，制造大量極紫外光、使其穿過(guò)日益縮小的芯片掩模版并投射到涂有光刻膠的硅晶圓上，幾乎是天方夜譚。

為產(chǎn)生極紫外光，ASML 以每秒 5 萬(wàn)滴的速度從噴嘴噴出熔融錫液，每滴錫液被強(qiáng)激光轟擊，產(chǎn)生比太陽(yáng)更熱的等離子體。這些微小爆炸正是波長(zhǎng)僅 13.5 納米的 EUV 光子的來(lái)源。極紫外光寬度約為五條 DNA 鏈，極易被所有已知物質(zhì)吸收，因此整個(gè)過(guò)程必須在真空中進(jìn)行。極紫外光經(jīng)反射鏡反射后，通過(guò)鏡頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，原理類(lèi)似相機(jī)。為解決光被鏡面吸收的問(wèn)題，德國(guó)蔡司公司為 ASML 定制了世界上最平坦的專(zhuān)用反射鏡。

ASML 的早一代 DUV 光刻機(jī)使用波長(zhǎng) 193 納米的深紫外光，精度較低。ASML 仍在生產(chǎn)這類(lèi)設(shè)備，與日本尼康、佳能競(jìng)爭(zhēng) DUV 市場(chǎng)，但它是全球唯一在 EUV 領(lǐng)域取得成功的企業(yè)。

ASML 約在 2016 年啟動(dòng)價(jià)值 4 億美元的 High NA 設(shè)備研發(fā)，其工作原理與 DUV 相似，采用相同的 EUV 光源，但有一關(guān)鍵區(qū)別：High NA 配備更大的鏡頭開(kāi)口，能以更大入射角捕捉更多光線(xiàn)，使鏡面接受更陡角度的光束，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的圖形轉(zhuǎn)移。借此優(yōu)勢(shì)，High NA 設(shè)備可一次曝光即完成極小尺寸芯片圖形的轉(zhuǎn)印，而傳統(tǒng)低數(shù)值孔徑設(shè)備需多次曝光和多個(gè)掩模版?！捌毓獯螖?shù)越多，工藝越復(fù)雜，良率也會(huì)下降?！?傅恪禮說(shuō)。

分辨率隨數(shù)值孔徑（NA）增加而提高，減少了對(duì)多掩模版和多次曝光的需求，節(jié)省了時(shí)間與成本，但高數(shù)值孔徑設(shè)備的成本也隨之上升?！扮R面越大，系統(tǒng)體積就越大?！?傅恪禮表示，這類(lèi)設(shè)備還會(huì)消耗大量電力?！叭绻恢鸩教嵘?AI 芯片的能效，到 2035 年左右，模型訓(xùn)練可能會(huì)消耗全球能源?！?他透露，自 2018 年以來(lái)，ASML 已將每片晶圓曝光的耗電量降低 60% 以上。

中國(guó)市場(chǎng)與美國(guó)關(guān)稅：不確定因素

ASML 以突破性的 EUV 光刻機(jī)聞名，但其 2024 年業(yè)務(wù)中，較早期的 DUV 光刻機(jī)仍占 60%。去年，ASML 售出 44 臺(tái)起價(jià) 2.2 億美元的 EUV 光刻機(jī)；DUV 光刻機(jī)價(jià)格低得多（500 萬(wàn)至 9000 萬(wàn)美元），但 2024 年售出 374 臺(tái)。中國(guó)是 DUV 光刻機(jī)的主要買(mǎi)家，占 ASML 2024 年第二季度業(yè)務(wù)的 49%。

傅恪禮表示：“中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售額達(dá)峰值，是因?yàn)?ASML 直到去年才完成大量積壓訂單的交付。到 2025 年，中國(guó)業(yè)務(wù)占比應(yīng)會(huì)恢復(fù)至 20% - 25% 的歷史正常水平?！?美國(guó)出口管制禁止 ASML 向中國(guó)出售 EUV 光刻機(jī)，該禁令始于特朗普政府時(shí)期。Futurum 集團(tuán)的 Newman 認(rèn)為，中國(guó)自主研發(fā) EUV 的可能性極低，可能會(huì)轉(zhuǎn)而用 DUV 光刻機(jī)制造智能手機(jī)等設(shè)備。

在人工智能競(jìng)爭(zhēng)中，美國(guó)對(duì)先進(jìn)技術(shù)流入中國(guó)的擔(dān)憂(yōu)加劇，這也推動(dòng)了芯片股上漲 ——ASML 股價(jià)于 7 月創(chuàng)歷史新高。Benschop 稱(chēng)：“ASML 尚無(wú)法明確關(guān)稅對(duì)公司的影響。公司在全球有約 800 家供應(yīng)商，關(guān)稅影響十分復(fù)雜?！?/p>

制造一臺(tái) High NA 光刻機(jī)需經(jīng)歷多次進(jìn)出口環(huán)節(jié)：四個(gè)模塊分別在美國(guó)、荷蘭、德國(guó)制造，運(yùn)往荷蘭組裝測(cè)試后拆解，再運(yùn)至美國(guó)或亞洲的芯片廠。多年來(lái)，亞洲占 ASML 業(yè)務(wù)的 80% 以上，2024 年美國(guó)市場(chǎng)份額約 17%，且增長(zhǎng)迅速。ASML 全球員工 4.4 萬(wàn)名，其中 8500 人在美國(guó) 18 個(gè)辦事處工作。

2024 年，ASML 北美出貨量主要流向英特爾 —— 該公司正在美國(guó)俄亥俄州和亞利桑那州建設(shè)新晶圓廠。盡管英特爾近年發(fā)展受挫，傅恪禮仍稱(chēng)其是 ASML 的重要合作伙伴，對(duì)美國(guó)半導(dǎo)體獨(dú)立發(fā)展至關(guān)重要。

臺(tái)積電在芯片制程上領(lǐng)先于英特爾，其位于美國(guó)菲尼克斯北部的新晶圓廠已投入量產(chǎn)。作為美國(guó)本土最先進(jìn)的芯片廠，其對(duì) High NA 設(shè)備的需求可能很快顯現(xiàn)。與此同時(shí)，ASML 正在美國(guó)亞利桑那州建設(shè)首個(gè)培訓(xùn)中心，傅恪禮透露該中心將在未來(lái)幾個(gè)月啟用，目標(biāo)是每年培訓(xùn) 1200 名 EUV 和 DUV 技術(shù)人員，產(chǎn)能不僅滿(mǎn)足美國(guó)需求，還將用于全球人才培訓(xùn)。

此外，ASML 計(jì)劃進(jìn)一步提升下一代設(shè)備 Hyper NA 的數(shù)值孔徑。傅恪禮表示，公司已完成下一代設(shè)備的部分光學(xué)設(shè)計(jì)草圖，且其制造難度未必很高。他預(yù)計(jì)，Hyper NA 的需求將在 2032 年至 2035 年間出現(xiàn)，但未對(duì)價(jià)格進(jìn)行預(yù)估。目前，ASML 專(zhuān)注于滿(mǎn)足 High NA 設(shè)備的需求，計(jì)劃今年至少再交付五臺(tái)，并在未來(lái)幾年將產(chǎn)能提升至 20 臺(tái)。

來(lái)源：愛(ài)集微、CNBC 專(zhuān)欄作家 Katie Tarasov