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半導體產業爭霸賽的關鍵仍在光學技術

ASML曝光機裡的光學技術 影響半導體廠的競爭力



發布日期: 2020-01-31-2021-01-31

近日荷蘭政府根據瓦森納國際協議(Wassenaar Arrangement)禁止ASML公司向中國出口極紫外曝光機(Extreme Ultraviolet, EUV Lithography)。中國大陸駐荷蘭大使反嗆要以中荷關係作要脅,要求荷蘭政府取消禁令。美國處心積慮擬聯合整個西方國家來圍堵中國大陸科技的發展,所以荷蘭政府此舉明顯是迫於美國壓力。曝光機是半導體製程中最重要的設備;全球又僅有ASML能提供最高端的曝光設備。所以美國要求荷蘭政府禁止ASML向中國大陸輸出這設備,可謂掐住了中國大陸半導體產業的咽喉。而從技術的角度來看,半導體產業爭霸賽的關鍵可謂是曝光設備所賴的光學技術。此光學技術又有賴基礎科學與光學工藝。

半導體需要更短的極紫外光

半導體製程中要將晶片上的電路更縮小化,就需要更短波長的雷射光源,以便在曝光製程中,用雷射光刻出間距更小的電路圖。光線的波長決定了焦點的尺寸(數值孔徑),也就決定了電路的線距。現今半導體製程往7奈米以下邁進,便需要13.5 nm 極紫外(EUV)波長的光刻設備,用更短的波長製作更精細、密度更高的電路,從而構建更快、更節能的晶片。所以曝光設備是半導體製程的關鍵。

荷蘭的ASML是世界上唯一一家可以提供EUV光刻設備的公司。台積電、三星、Intel、中芯國際等半導體大廠全都需要ASML的EUV光刻設備才能步入更先進的奈米製程。EUV光刻設備成為ASML傲視全球的獨門生意,一台曝光機金額高達一億歐元(33億台幣)。根據ASML在1月22日所公布的第四季財報顯示,該公司2019全年營收118 億歐元(3931億台幣),全年淨利26億歐元(866億台幣)。ASML總裁兼執行長Peter Wennink表示:「對於ASML而言,2019年又是一個成長的年度,主要是因為DUV與EUV所生產之邏輯晶片的強勁需求。」、「我們預計2020年業績將受益於EUV需求和安裝好的機台數,銷售與獲利都會有兩位數成長。」、「受惠於智慧手機和5G的投資,預計邏輯晶片市場在 2020 年仍將保​​持強勁。記憶體市場方面,我們的客戶有看到市場復甦的跡象。」ASML憑其價格高昂的EUV曝光設備及大量出貨,營收超越了應材公司成,為全球最大的半導體設備公司。

ASML有賴光學大廠ZEISS的加持

荷蘭Philips公司所投資的ASML之所以成為今天半導體設備的霸主,其主要的原因之一是2016年時ASML與和德國卡爾蔡司(ZEISS)旗下的蔡司半導體公司(Carl Zeiss SMT)的策略合作。當時ASML收購了Carl Zeiss SMT約四分之一的股權,以強化雙方在半導體微影技術的合作,其目標是發展下一代EUV曝光系統,並預計在2018年問世。當時ASML在曝光機市場上並非沒有競爭者,還與日本Canon、Nikon維持三國鼎立的局面。但ASML有了全球最頂尖的光學老牌公司之加持,在四年內逐漸拉大了與競爭者的差距。這的確顯示德國ZEISS在曝光機的光學設計上,有其獨到的功力,並如同在眼鏡、相機等其他光學應用的市場上,ZEISS獲得的口碑仍勝於日本光學廠商。雖然我們難以得知ZEISS有何撇步,但知悉ZEISS靠其光學造詣獨步全球。

圍堵可以阻止大陸發展的決心?反思光學之重要性

這一次荷蘭政府禁止ASML向中國大陸輸出EUV曝光機,讓中芯國際等中國半導體廠吃了悶虧。然而在中國大陸發展半導體的戰略中從來沒有忽視過光刻機(曝光機)的重要性。例如2018年底中國科學院宣佈了「超分辨光刻裝備項目」成果,號稱能夠利用365奈米的波長進行22奈米的製程,並還可以通過多重曝光的手法,實現10奈米以下的製程,號稱可以打破壟斷局面。而美國聯合西方世界,阻止關鍵零組件、高速電腦、關鍵設備與材料進入中國大陸,以圍堵中國大陸半導體等高科技的發展,其成效的確立竿見影。然而這恐怕仍阻止不了中國大陸發展“自主技術、國產化”的決心,並且也讓中國大陸挾著一股“氣",去反省科技產業的根本仍是在深耕技術所需的基礎科學,尤其是光學、材料等。