现在三星、台积电的10nm工艺都已经开始量产，英特尔预计在今年内量产其10nm工艺。与此同时，7nm也早已被各家提上了日程。不过随着工艺的不断提升，难度也是越来越大，不仅仅是设计上的问题，还包括生产设备上的问题。目前要实现7nm工艺就需要用到EUV（极紫外）光刻机，而目前在这个领域，荷兰的ASML无疑是老大。

光刻机三巨头已成过去，Nikon和Canon走向没落

光刻（Photolithography） 意思是用光来制作一个图形（工艺）。即在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程，将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。

而光刻机则是完成光刻的核心设备，也是集成电路芯片制造当中难度最高、最关键的核心设备。

提起光刻机，那么我们就不得不提及光刻机三巨头：荷兰的ASML、日本的Nikon和Canon。

自从1978年，美国GCA公司推出了全球第一台光刻机之后，日本的光学设备巨头Nikon便在光刻机市场迅速崛起，日本的佳能和荷兰的AMSL也是紧跟其后，很快市场上便形成了三强并立的局面，这三家厂商几乎垄断了整个光刻机市场。其中尼康市的场份额长期都在50%以上，可谓是当之无愧的霸主。

不过在193nm光刻技术逐渐成为市场主流之后，Nikon和Canon的市场份额便开始加速下滑，AMSL开始后来居上。特别是2002年之后，193nm浸没式光刻技术迅速成为光刻技术中的新宠，因为此种技术的原理清晰及配合现有的光刻技术变动不大，获得了众多厂商的应用（此前很多cpu使用的45nm、32nm工艺都是由193nm液浸式光刻系统来实现的）。而AMSL也凭借其在193nm浸没式光刻技术上的优势一举超越了Nikon和Canon。

目前193nm液浸式光刻仍然是应用最广且最成熟的技术，能够满足精确度和成本要求，所以其工艺的延伸性非常强，很难被取代。再加上新的EUV光刻技术的一再推迟，以至于随后的22/16/14/10nm节点主要几家芯片厂商也仍然继续使用基于193nm液浸式光刻系统的双重成像（double patterning）技术。

根据2007年的统计数据，在中高端光刻机市场，ASML占据大约60%的市场份额。而最高端市场（例如沉浸式光刻机），ASML大约目前占据80%的市场份额。可谓是绝对的龙头。尼康和佳能被彻底打残，只能在低端市场苟延残喘。

据业内人士称，目前尼康和佳能的光刻机在技术上已经全面落后，唯一剩下的优势就是价格。比如尼康的光刻机同类机型价格还不到ASML的一半，同样佳能的光刻机同样也非常便宜。

但是，先进制程本来就是烧钱的，成本不在边际考虑因素中，鉴于现状， 各大芯片厂商的技术团队是不能容忍采购团队为了单纯的省成本而去采购尼康或者佳能光刻机，所以ASML成为了多数厂商的首选项。不过，尼康和佳能的光刻机仍然会有一定的市场，比如海力士在其低阶的KrF光刻机上也偶尔会选择佳能，因为DRAM的第一步etching环节根本没有太高技术要求。

更为关键的是，三大主要的Foundry厂商——英特尔，三星和台积电在2012年前后都成为ASML的股东了。而这也是尼康和佳能在光刻机市场持续走向没落的一个关键因素。

2012年英特尔向ASML投资总计33.67亿欧元，其中8.29亿欧元用于450毫米晶圆和EUV极紫外光刻技术，25.38亿欧元用于购买15%的股权。一个月后，台积电也宣布投资2.76亿欧元(3.44亿美元)帮助ASML开发新技术，再拿出8.38亿欧元购买5%的股权。随后，三星也投入也是2.76欧元)帮助ASML开发新技术，不过购买股权方面只花了5.03亿欧元(6.28亿美元)，换取了3%的股权。

全球最大的三个Foundry厂商都成为了ASML的股东，并提供大笔的资金资助其进行技术研发，同时也优先采用其光刻机产品，ASML在光刻机市场份额自然也是一路走高，并且在新一代的EUV光刻机上也取得了成功突破。

EUV技术成7nm量产关键

随着工艺制程的不断提升，晶体管越来越越小，晶体管密度也越来越大。现在三星和台积电都已量产10nm工艺，但是进入7nm将会面临更高的物理限制，半导体工艺提升需要全新的设备。EUV极紫外光刻技术被认为是制程突破10nm之后的7nm、5nm工艺的关键。相比常用的193nm沉浸式光刻来讲，其能够进一步缩小晶体管之间的距离，在同样的面积下集成更多的晶体管数量以便提升性能。

前面提到，目前主流的光刻技术还是193nm液浸式光刻，虽然被广泛应用，但是它的问题在于，随着光波长的变小，光会被用来聚光的玻璃透镜吸收，结果是光到达不了硅片，也就无法在晶圆上生成任何图案，这也正是EUV光刻技术将取代它的原因。在EUV光刻技术中，玻璃透镜将被反射镜取代以用于聚光。

EUV光刻技术早期有波长10～100nm和波长1～25nm的软X光两种，两者的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为主，后者以接触／接近式为主。目前的EUV技术使用的是激光等离子源产生的约13.5nm的紫外波长，这种光源工作在真空环境下以产生极紫外射线，然后又光学聚焦形成光束。光束经由用于扫描图形的反射掩膜版反射。

图1展示了EUV的基本工作原理：激光对准氙气喷嘴。当激光击中氙气时，会使氙气变热并产生等离子体；一旦产生等离子体，电子便开始逃逸，从而发出波长为13.5nm的光；接着这种光进入聚光器，然后后者将光汇聚并照到掩膜上；通过在反射镜的一些部分施加而其它部分不施加吸收体，在反射镜上形成芯片一个平面的图案的光学表示，这样就产生了掩膜；掩膜上的图案被反射到四到六个曲面反射镜上，从而将图像微缩，并将图像聚投到硅晶圆上；每个反射镜使光线稍微弯曲以形成晶圆上的图像，这就像照相机中的透镜将光弯曲以在胶片上形成图像一样。

整个工艺必须在真空中进行，因为这些光波长太短，甚至空气都会将它们吸收。此外，EUV使用涂有多层钼和硅的凹面和凸面镜——这种涂层可以反射将近70%的波长为13.5nm的极紫外线光，其它30%被反射镜吸收。如果没有涂层，光在到达晶圆之前几乎就会被完全吸收。镜面必须近乎完美，即使涂层中的小缺陷也会破坏光学形状并扭曲电路图案，从而导致芯片功能出现问题。

其实早在多年前，业界就希望通过EUV光刻技术来实现22/16nm的量产，但是直到最新的10nm依然还是用的193nm深紫外光（DUV）技术。足见EUV光刻技术的难度之大。

EUV光刻机，ASML独领风骚

前面有提到2012年前后英特尔、台积电、三星都对ASML进行了资助，并入股成为了其股东。ASML一共得到了13.8亿欧元(17.22亿美元)的研发资金，正好达到了最初的预期值，而通过出让23％的股权换来了38.79亿欧元(48.39亿美元)，合计达到52.59亿欧元(65.61亿美元)。而英特尔、台积电、三星之所以选择资助和入股ASML其中一个原因就是为了推动其EUV光刻机的研发。

这也促使了ASML在2012年的时候就推出了试验型EUV光刻设备NXE:3100，后续又推出了量产型NEX:3300B，2014年又推出了NXE 3350B。目前各家主要在用的就是NXE 3350B。但都难以达到EUV光刻的量产要求。

英特尔采购了数台NXE 3350B，台积电好像也有两台（另外台积电此前已购买的两台NXE 3300B也在ASML的协助下，升级到与NXE 3350B相同的水平），三星似乎也有，三星在2016年花费1.78亿美元从ASML采购EUV设备（其中应该包括NXE 3350B和最新的NXE3400光刻机），不过目前全球总的NXE 3350B也就只有6套而已，可谓是僧多肉少，所以NXE 3350B EUV极紫外光刻机主要还是被用来进行7nm的相关测试和试产。台积电日前就表示其7nm已在今年4月开始试产。

而作为NXE 3350B最资深的使用者，此前英特尔EUV小组专家就表示，虽然其可作业时间已经超过了70%，每天可以处理500-600个晶圆，相比去年的情况已经有很大改善，但这远远不够量产水平。并且一旦运行，光罩问题仍会层出不穷。ASML公司EUV项目总监Frits van Hout此前也表示2016年年底达到应有的水平。

最新的好消息是，ASML最高端的EUV光刻机NXE 3400B已经开始出货，虽然仅仅在Q1晚些时候才出货了第一台（客户应该是英特尔），而ASML收到的订单已经累计达到了21台，总价值23亿欧元，单价超1亿欧，媲美一架F35战斗机。

根据目前的情况来看，英特尔、三星、台积电都希望在7nm工艺量产上采用EUV光刻技术（英特尔可能会用于其10nm工艺的量产）。而ASML的NXE:3400B EUV光刻机则成为了他们能否实现量产计划的关键。

当然，不管英特尔、三星、台积电围绕着制程工艺如何竞争，ASML终究是最大赢家，因为他们谁也离不开他的EUV光刻机。而且到了5nm及3nm节点，EUV可能还需要一次升级。

根据ASML近日公布的最新的财报显示，一季度净营收为19.4亿欧元，毛利率47.6%，而它们所做的一切，不过是卖出数十台光刻机而已。分别是深紫外光（DUV）微影、全方位微影（Holistic Lithography）和极紫外光（EUV）微影，前者主要用于10nm量产和7nm的研发，迄今累计装机60多台。真可谓是赚钱小能手。

尼康发难，ASML遭遇专利诉讼

ASML在光刻机市场可谓是春风得意，但是这也引起了老对手尼康不满。

4月24日尼康通过其官网宣布，将在荷兰、德国和日本起诉了ASML和其光学元器件供应商卡尔蔡司（ASML还在去年11月斥资10亿欧元收购了卡尔蔡司24.9%的股权），尼康认为ASML和卡尔蔡司在他们生产的浸没式光刻系统侵犯了尼康的11项专利技术，并要求他们立即停止光刻设备的销售，并赔偿相应损失。

尼康总裁Kazuo Ushida表示：“通过实质性的和持续的研发投入，尼康已经开发出了先进的光刻技术，包括浸没式光刻技术，已经彻底改变了半导体行业。半导体是在消费者电子设备的核心部件。我们为我们的技术已经在推进全球信息社会中扮演的重要角色而感到骄傲。我们坚信，ASML未经授权使用尼康的专利和最先进的技术，包括浸没式光刻技术，这也使得ASML扩大了其光刻业务。尊重知识产权是公平和健康的竞争的根本，是促进创新，为社会提供最先进的产品和服务的本质。这就是为什么我们决定开始这项诉讼。”

对此，4月25日ASML对于尼康的指控进行了回应。ASML认为Nikon的指称缺乏依据，并称将考虑采取所有可行的方案坚定地维护自己的权益。

ASML称，早在2004年ASML和Nikon就签订了专利交叉授权协议。其中一些专利是被永久授权的，另外一些专利的授权日期在2009年12月31日截止。双方同意互不采取法律行动的过渡期也在2014年12月31日结束。

ASML总裁兼首席执行官Peter Wennink表示：”尼康提起的诉讼是毫无根据和不必要的，会给整个半导体行业带来不确定性。在过去几年中， ASML曾多次试图与Nikon就交叉授权协议延展一事进行协商。但尼康没有为此做出任何真正的努力，反而选择采取法律行动，对此我们感到极其失望。我们仍相信双方协商解决得到的结果对行业来说必然是更好的选择，将推动行业的创新与合作。而这类不必要的专利诉讼将导致行业无法集中精力在真正重要的事情上：即通过技术创新给芯片制造商提供更好的产品和服务。我们双方应该在市场上而不是在法庭上展开竞争。”

从双方的表述来看，ASML与尼康确实存在一些专利纠纷，而这部分专利主要是2004年双方签订的专利授权协议当中已到期的专利授权。作为光刻机领域曾经的霸主尼康，看着ASML不断壮大超越自己，还日进斗金，自然是非常眼红，利用专利来进行发难也并不意外。

尼康此举或将如Peter Wennink所说的那样，“会给整个半导体行业带来不确定性”。毕竟从目前来看，ASML可能确实有用到尼康的专利。因此，尼康可能会向法院申请禁售ASML的光刻机，而法院可能会支持。而这将会对于ASML的浸没式光刻机的出货产生不利的影响，甚至可能会影响到ASML的EUV光刻机的出货，从而导致各家芯片厂商7nm工艺的量产推迟。

不过，作为ASML的股东，英特尔、台积电、三星应该不会坐视不理，必定会从中斡旋，最终双方可能还是会走向和解。不过，就不知道尼康的胃口有多大了。

作者：芯智讯-浪客剑