5G、人工智慧應用的快速發展驅動半導體產業的成長,台灣晶圓代工大廠台積電領先業界的5奈米製程已進入量產,在先進製程的技術與後續企業發展讓人期待。除了本身堅強的技術研發能力外,全球半導體 EUV 設備龍頭艾司摩爾(ASML)所生產的極紫外光(EUV)微影設備功不可沒。隨著台積電、三星等半導體大廠相繼投入EUV製程,艾司摩爾所生產的極紫外光(EUV)微影設備,在中國直接稱為「光刻機」,也越來越重要,各半導體大廠如果想在先進奈米製程中導入EUV微影技術,都得仰賴艾司摩爾所生產的EUV微影設備。

荷蘭的半導體規模並不如台灣或美國完整,為什麼卻能孕育出全球半導體市場最關鍵的廠商?從1984年成立至今,艾司摩爾經過十分漫長的研發過程,他們是如何在這場競賽中成為最大贏家?

帶動半導體先進製程發展的EUV技術

在全球半導體設備製造商中,ASML所出產的EUV微影設備不僅是新一代晶片生產設備的顯學,更是帶動半導體產業與技術的發展。

晶片業有個知名的「摩爾定律」,意指因為半導體製程技術的提升,積體電路上可容納的電晶體數量約每隔兩年便會增加一倍;而晶片效能每隔18 個月便會提高一倍。隨著晶片上的電晶體數量越來越多,微影設備的精密程度也就越來越高。

在艾司摩爾研發出第一台EUV設備前,全球半導體廠商多仰賴浸潤式微影機台,以波長為193奈米的深紫外光刻出電路圖案。但是隨著晶片發展愈來愈精細,浸潤式微影技術已到達極限。如果要打造出能曝光7奈米的晶片,必須採用波長只有13.5納米的極紫外光,這種極紫外光源很難製造,是可見光波長的幾十分之一。

從技術到商業路漫漫  窮困激發出的創新模式

成立於1984年的ASML,最初的47名員工皆來自知名的飛利浦公司,早在1960年代,飛利浦的物理實驗室就開始研發微影設備,也握有好幾項先進技術。但微影設備每年至少需投入1000萬美元進行研發,是個需要持續投入、大量燒錢的項目,因此,飛利浦在1980年代初,決定將這個包袱賣掉。誰知道,先後洽談了三家美國公司都吃了閉門羹,只有荷蘭一家名為ASM的公司積極回應。逼不得已的飛利浦公司,只好同意與ASM合資成立公司,雙方各佔一半股份。

即使擁有領先業界的技術,公司在成立兩年後市佔率依然掛零,從實驗室技術到商業量產還有很長一段路要走,也讓人擔心會不會產品還沒推出,錢就燒光了。

事實上,ASML從成立到上市的十多年間,現金流一直都是岌岌可危,歷任ASML的CEO首要任務都是找錢。由於當時的歐洲共同體與荷蘭政府的經濟事務部,都有提供當地高科技企業補貼和貸款支持,ASML遇到好幾次資金斷流危機時,都是靠荷蘭政府緊急提供救命錢。正因為經費拮据,ASML必須不斷尋找合作與結盟,透過與政府爭取經費,尋找供應商成為合作夥伴,打造一個大的研發網路,進而透過企業、研究機構分工的「開放式創新」連結更多可能。

為什麼全世界只有這家公司能做EUV設備?

由於EUV技術困難且需投入的研發資金太高,在ASML兩大競爭對手 Nikon、Canon 早已放棄開發的情況下,ASML儼然成為半導體業能否繼續「摩爾定律」,帶領產業進入下一代先進製程的希望。但是EUV微影機台的研發難度更高,持續增加的研發費用也讓ASML吃不消,但是產業對於EUV技術的迫切需求,讓英特爾、台積電、三星等三大巨頭在2012年決定聯手投資ASML,更讓ASML因此聲名大噪。

ASML除了持續精進的技術研發能力外,經營團隊對於市場的敏銳程度,即時掌握關鍵趨勢,也是公司能否站穩浪頭的關鍵。

不像Nikon多以自製零件為主,ASML透過收購其他半導體設備商或是策略合作以取得關鍵技術,精準的併購能力不容小覷,更靠著與產學界共同研究及論文發表,累積自己的技術實力。

例如,當年台積電前任研發副總、世界微影技術權威林本堅提出浸潤式微影技術時,三大設備廠商皆已投入157奈米微影機的研發,Nikon、Canon當時的兩大廠並沒有接受該理論,只有ASML積極響應並與台積電合作開發出浸潤式193奈米微影機,這個發展也讓ASML得以超車Nikon,不僅將全球半導體製程往前推進一大步,更讓台積電從此躋身業界一線大廠。

另外,以EUV設備中最為關鍵的光學元件來說,不同於 Nikon 和 Canon 都是生產光學鏡頭的佼佼者,ASML則是選擇使用德國蔡司(ZEISS)的元件,並在2016年時與德國蔡司(ZEISS)旗下的半導體旗下的蔡司半導體有限公司(Carl Zeiss SMT)進行策略性合作,共同發展更新一代的EUV微影系統。當中所使用的元件十分精密,以設備中的一面反射鏡為例,如果將EUV設備中的一面反射鏡想像成地球的大小,鏡面上最大的誤差只有一根頭髮大小。也因為有了老牌光學公司的助攻,讓ASML逐漸拉開與競爭者的差距。

專注技術對外尋求資源 ASML給台灣企業的啟示

科技不斷發展,電子產品的尺寸越輕薄,功能越強大,同時也驅動著晶片的需求。新型態的終端應用帶動高速運算晶片的需求增長,擴大先進製程應用,也帶動半導體產業對於EUV需求的提升。目前極紫外光微影設備已是新一代晶片生產設備的顯學,ASML作為當今唯一有能力生產EUV設備的公司,每一年的機台產量有限,讓台積電、Intel、三星等知名企業都積極搶貨。

從ASML的經驗來看,市場規模小、公司資源不足並不是妨礙公司成長的理由,跳脫過往一條龍的作業方式,掌握最關鍵的技術,其餘則靠著委外的技術支援,尋找全球頂尖的供應商,至今已擁有超過800家的供應商,以提供迅速的技術支援和應變市場需求的靈活能力。

至今,ASML每年投注超過20億歐元作為研發資金,其相信充裕的研發經費是促進晶片產業持續進步與創新的重要推手。做為當今唯一有能力量產EUV設備的公司,ASML的成功並非偶然,他們強調的開放式創新及專注於技術研發的態度,十分值得台灣企業學習。

《ASML’s Architects》(簡體中文版《光刻巨人:ASML崛起之路)這本書中詳述了ASML這家公司從1984年創立到1996年上市這段時間的故事。作者瑞尼·雷吉梅克(Rene Raaijmakers)是為荷蘭科技記者,他花了七年的時間採訪ASML創始人與後繼的多位CEO,以及幾十位核心員工,獲得大量第一手資料並完成《ASML’s Architects》。即使任何公司的成功經驗都不相同,透過ASML的經驗,希望能帶領讀者了解半導體相關產業的更迭,以及提供台灣產業借鏡。