【他山之石】ASML：详细的设计未来

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注：ASML 作为半导体产业链中最重要的公司，为芯片制造企业提供最先进的 EUV 设备，也只有 ASML 的设备才能生产最先进的芯片。而且，ASML 依然处在需求持续增长的时期，汽车市场，绿色能源转型，高性能计算机，物联网的发展，带来了对芯片需求的持续增长。同时，公司也会遇到成本上升，地缘政治，潜在竞争对手等风险。但是，作为唯一能够提供量产的高精度 EUV 设备提供商，公司短期内不会遇到挑战，依然可以长期带来高回报。

正文：

摘要

ASML 制造用于生产芯片的机器；

ASML 的设备可以在指甲大小的空间内精确地排列数十亿个晶体管；

只有 ASML 的设备才能生产最先进的芯片，因此该公司不会在短期遇到挑战者。

想象一下，如果摩尔定律预测的每 18 个月翻一番在 90 年代早期失败了，计算机处理能力保持不变，世界将会是什么样。

在这个另类的世界里，最基础的“智能手机”是有的，但体积庞大，极其耗电，成本高昂。Snapchat 和 Zoom 等应用将不会再有发展机会。苹果将破产，因为史蒂夫·乔布斯不能发布 iPod，更别说 iPhone 了。

电动汽车将很少见，人工智能从未得到“深度学习”的推动。所以，别想着买特斯拉或让 Alexa 开灯的美梦了。亚马逊无法推出 AWS 云计算部门，这意味着无数家规模较小的科技公司无法启动或实现规模化。对于 Blockbuster 视频来说，这是个好消息，而对于 Netflix 来说则不然。

值得庆幸的是，回到现实世界中，我们制造更复杂芯片的能力仍在快速发展。创新和知识随之而来，使医疗进步和能源效率成为可能，并带来其他形式的进步。

这说明 ASML 可能是世界上最重要的公司。

这家荷兰公司制造的机器允许计算机芯片制造商将复杂的晶体管电路图案（微小的开关）烧到硅片表面。这个过程叫做光刻过程。ASML 成立于 1984 年，其全称为 Advanced Semiconductor Materials Lithography，目前在市场占有 90%的市场份额。它是唯一一家能够制造最小晶体管的企业。

缩小晶体管可以将更多的晶体管封装到同一区域。然后，计算机可以更快地进行计算，并且使用更少的能量。

ASML 的最新机器制造出“3 纳米芯片”。该名称是一个营销术语，而不是一个准确的测量。这相当于每平方毫米放置大约 2.5 亿个晶体管。如果你把一枚 1 便士硬币上可以容纳的晶体管数量，按照每个晶体管一个订书钉的长度，将它们首尾相连，这个总长度可以往返月球。这要求每一个晶体管都必须精确地布置在芯片上，以形成高度复杂的电路。

苹果的一个芯片现在包含超过 1140 亿个晶体管。这一数字与 19 万年前人类进化以来

出生的所有人类的数量大致相同。回首过去，英特尔第一个奔腾处理器在 1993 年取得

了重大进展，该处理器包含约 310 万个晶体管。这是英特尔第一个微处理器 4004 之后的巨大飞跃，4004 处理器只有 2300 个晶体管。

这就是指数级增长的样子情况，ASML 的“EUV”技术正在防止其失控。

EUV 是什么？

ASML 是光刻领域唯一制造使用极紫外（EUV）光的机器。

EUV 波长属于电磁频谱的顶层，通常只在外层空间发现。当将芯片设计压印到硅上时，与使用深紫外（DUV）光相比，EUV 提供了与更锋利的手术刀的效果。

ASML 并不是第一家将 EUV 应用于光刻的公司。日本的 NTT 早在 1986 年就展示了第一台 EUV 光刻的演示设备。但 ASML 这家总部位于埃因霍温的公司解决了保持高容量所需的精度挑战，使其客户能够在 2019 年开始大规模生产 7nm 级芯片，2020 年开始批量生产 5nm，2022 年开始批量批量生产 4nm 级芯片。

要做到这一点，需要烧一滴大约一粒花粉大小的熔融锡。一个激光脉冲使其变平，然后第二个激光脉冲产生一个比太阳表面热 40 倍的等离子体。然后，它将能量释放为

EUV 光。这个动作每秒重复 50000 次。

然后使用世界上最平滑的一系列反射镜聚焦这些光脉冲。如果你把一个反光镜放大到德国的面积大小，最大的表面凸起只允许 1 毫米高。

“尖锐”的光线进入扫描仪，多层反射器利用“干涉”产生所需芯片电路图案的变形版本。它是变形的，因为随后的物理和化学过程会导致变形。因此，需要根据 EUV 机器和测试晶片的读数进行调整。

在扫描仪之后，光线通过更多的反射镜反射，使图案缩小四倍，然后到达涂有感光膜的硅片。机器每秒检查晶片的位置并调整 20000 次。每次曝光大小都不能超过半个原子。

这需要非凡的精度水平，因为在芯片完成之前，必须对每个晶片进行蚀刻、填充铜、抛光、覆盖新的硅层和膜，然后返回进行后续光刻曝光，曝光次数可达 100 次。

似乎这听起来还不够困难，ASML 还必须处理这样一个问题：所有东西都会吸收 EUV

光，甚至包括空气。因此，光及其与之相互作用的一切都要在真空中进行。

ASML 的 EUV 机器拥有数十万个组件©ASML

ASML 花了几十年的时间和数十亿美元的投资才制造出一台商用 EUV 机器。这些机器包含的零件太多，以至于需要四架大型喷气机才能将它们运送到客户手中。ASML 的工作人员再将它们组装成一个双层巴士大小的箱子。ASML 还开发了专门的软件来测量和补偿微小的缺陷。这些都是由微小的温度和大气压力变化造成的，这是无法避免的。

公司的首席执行官 Peter Wennink 表示，光波长的光刻寿命从历史看为 10 至 15 年。公司预计至少在 2035 年之前能够对其 EUV 机器进行显著的改进。

这其中包括在 2025 年首次推出高分辨率 EUV 过程，称为高数值孔径（high NA）。这将产生一台更大的机器，其部件必须满足更严格的标准。ASML 的所有现有客户都提交了高数值孔径的订单。

ASML 仍然需要解决的一个挑战是，EUV 机器比它之前的光刻机更耗能。

苹果公司承诺到 2030 年实现“净零碳排放供应链”。作为最先进芯片的最大客户之一，

ASML 面临着将其下一代设备的环境影响降至最低的压力。

ASML 的市场

ASML 2021 的年报显示，公司销售了 267 台低端光刻机外，还有 42 台 EUV 系统的销售（与尼康和佳能的 DUV 设备竞争）。

芯片制造厂（Foundries）通常需要多达 18 台 EUV 机器，每台成本约 1.6 亿欧元（合

1.53 亿美元）。高数值孔径（high NA）的费用将接近该金额的两倍。

芯片制造的概要

从香肠形状的晶体中切下圆片，并抛光以获得光滑的表面

沉积在晶片上并涂有光敏光致抗蚀剂的材料薄膜

DUV 或 EUV 光刻在光致抗蚀剂层中产生芯片图案

“蚀刻”：对晶片进行烘烤和显影，去除部分光刻胶

带电离子被引导到没有光刻胶的裸露部分中以产生晶体管

去除剩余的光致抗蚀剂

过程重复数十次以建立不同的结构层

金刚石锯将晶片切割成单个“模具”

将模具放置在基底上，并覆盖“散热器”盖，以形成芯片

正如全球芯片短缺时所表明的，高端半导体需求的增长超过了供应。

但 ASML 及其主要客户——台积电（TSMC）、三星铸造（Samsung Foundry）和英特尔（Intel）——持谨慎态度。制造商订购 EUV 机器后，通常需要大约 18 个月才能上线。此外，该行业多次遭遇芯片需求紧张、产品供过于求的周期，迫使所有相关方的价格下跌。

在 2000 年代初，ASML 的股价经历了从高峰到波谷高达 90%的下跌。在 2018 年，其股价再次暴跌超过 30%。

然而，ASML 认为自己正进入一个需求持续增长的时期。虽然“这一次是不同的”心态应该总是引起警惕，但该公司提出了令人信服的理由。

Wennink 指出，芯片需求主要取决于过去周期内 PC、智能手机和其他消费电子产品的销售。尽管这些公司仍占市场的一半左右，但这位首席执行官表示，推动增长的长期“大趋势”更为广泛：

汽车市场

汽车可以容纳多达 3000 个微芯片。他们控制着从信息娱乐和燃油节省系统到安全和自动制动的一切。电动汽车比内燃机汽车使用更多的芯片。此外，高级驾驶辅助系统和自动驾驶功能的增加将进一步需要更多芯片满足需求，特别是对电池电量需求较低的

部件。

绿色能源转型

太阳能电池板、风力涡轮机、氢电解槽、热泵和电池系统都需要芯片。监控能源传输和分配所需的计算机也是如此。它们在一个具有更多间歇性和分散能源的系统中扮演着更重要的角色。

高性能计算应用程序

制造病毒疫苗、开发电子游戏和模拟气候变化是从提高处理能力和降低能源需求中受益的复杂任务之一。更广泛地说，随着越来越多的行业转向人工智能，就更需要配备强大计算机服务器的数据中心来培训相关模型。

物联网

更多的物件上安装了传感器、电源管理单元和致动器（控制运动的机器部件），并连接到互联网。所有的这些都需要芯片。他们收集到的数据允许增加更明智的决策和“智能”功能，包括语音控制和对环境变化的自主响应。

对 ASML 有利的另一个因素是，美国和欧盟已经意识到全球 80%的半导体制造能力在亚洲的地缘政治风险。

美国最近的《芯片和科学法案》（CHIPS and Science Act）包括 520 亿美元的资金，用于促进国内半导体制造业，而拟议中的《欧盟芯片法案》（EU CHIPS Act）旨在到

2030 年提供约 150 亿欧元（合 160 亿美元）的额外支出。其中大部分资金可能会流向将成为 ASML 机器客户的新制造厂。

威胁

ASML 有很多有利因素，但也有一些“不利”因素需要考虑。以下是最关键的：

投入成本上升 ASML 公司正在应对两种类型的通货膨胀。首先，更高的材料和运输成本正在推高其所依赖的第三方组件的成本。其次，在半导体技能人才需求紧张的情况下，公司也正在增加员工数量。

这些问题已经导致其毛利率受到挤压。公司毛利已从 2021 的约 53%缩减至 2022 年

“接近 50%”的预测值。

然而，ASML 打遍天下无敌手的环境将有助于公司随着时间的推移将这些成本转嫁给客户。公司表示，正在进行讨论中的时，预计到 2030 年，公司毛利率将增长至 56%至 60%。

中国贸易禁令

2019 年，美国政府向荷兰施压，要求其阻止ASML 向中国芯片制造商出售EUV 设备。然而，ASML 公司继续向中国企业出售 DUV 机器。

2022 年 10 月，华盛顿对中国半导体行业实施了影响深远的出口管制。在撰写本文时，

ASML 表示，它认为对其业务的直接影响将“相当有限”，并且它可以“继续将非

EUV 光刻工具运出欧洲并运入中国”。