ASML的Open Innovation

By Vince Liu

16 JAN 2021

ASML介紹

整個半導體發展的歷程就是一個將晶片尺寸微縮的過程, 而Lithography(曝光製程)就是定義線路寬度的最重要關鍵。Lithography是將IC設計定義好的圖案, 透過類似照相的方式印到晶圓上, 但比照像要求高非常多的技術。因為要將精準度控制在比一根頭髮小10000倍的奈米尺度的關係, 所以對於不管是光源控制, 成像鏡片的設計, 到機構的誤差控制要求都是非常嚴格的。

ASML就是一家專門做半導體Lithography(在圖2是Exposure)的公司, 在半導體的生態鏈中扮演了一個非常關鍵的角色。而ASML最主要做的, 就是在每一代新的半導體製程當中, 幫助客戶(TSMC, Intel, Samsung……)不斷達成製程微縮的目標。其努力造就了從以前的Intel CPU, 到現在各式各樣的運算晶片(AI, GPU……), 都能夠不斷的翻倍其運算能力, 讓最終端客戶可以做各種不同的應用。ASML從1984年成立以來, 一直不斷的深耕這塊技術領域。而有關Lithography的技術分析, 我們在之後會另外寫一篇來分析。

ASML簡介影片: LINK

曝光機(Lithography machine)有多複雜?

ASML最新的EUV機台, 有超過10000個sensor以及超過100000個零件, 光是要把整台機器組裝起來, 就已經非常不容易了, 更何況要經過非常多專業的現場調校, 以達成能夠讓機台能夠真的發揮它最佳的性能(註: 光把硬體全部裝起來, 是完全無法達到預期的性能的, 曝光機的性能要能100%發揮, 調校是一個非常關鍵的步驟, 而且也是大部分人不會注意到的部分)。

而簡單來說, 整台EUV機台, 有幾個非常重要的關鍵:

1. EUV光源: EUV光源是最重要的靈魂之一, 也是早期EUV發展最大的阻礙。產生EUV光源需要用CO2高功率雷射系統去激發錫而產生, 而EUV光源的功率在早期是一個非常難突破的障礙, 功率不夠就會影響到整個機台的生產速度。幸好在2013年之後EUV光源的功率就每年都有長足的提升, 到現在已經足支撐以每小時170片晶圓的生產速度, 在接下來EUV的roadmap中, 也會不停的去讓光源做升級。
   

2. EUV反射鏡片: 每片鏡片都有超過100層以上的coating材料, 對於像差(<50pm)和反射光損失的要求也是極度高的。如果達不到標準, 整個最後的曝光成像就會有問題。而再接下來的High NA EUV, 由於要達成High NA(NA: Numerical Aperture, 光學專有名詞, 越高的NA通常表示越高的光學系統解析度)的關係, 整個鏡片會有兩三層樓高。
   

3. 晶圓載台(wafer stage): 為了達到加速度的要求, ASML的晶圓載台採用磁浮的方式加速, 最高可達到7g的加速度, 相當於F16戰鬥機的加速水準。而且, 在這麼快的加速度之下, 裝在上面的位置感應器還要有60 picometers的精確度, 對於整個機構設計的要求也是非常高的。

這其中的每一種科技, 都是一家公司經過了幾十年的累積才能達成的, 而ASML需要把各種不同的複雜的科技組合在一起, 才能達到最後EUV機台的客戶要求。ASML是怎麼做到的呢?

ASML的Open Innovation

其實在ASML的2016年報裡面, ASML有很清楚的畫出其價值鏈。在圖4的左邊可以看到, 其實ASML的研發, 並不是所有的東西都是自己來, 因為所牽涉到的科技非常多又複雜的關係, ASML用一種Open Innovation的方式, 與其客戶, 供應商, 技術夥伴還有研究單位......一起協作完成。而在這個Open Innovation的Ecosystem中, ASML扮演的是一個產品設計以及技術整合者的角色。

而要完成這Open Innovation的關鍵, 其實是藏在ASML的公司文化以及R&D流程裡。從ASML的 Innovation Funnel(圖5)裡, 我們可以看到ASML從發想點子到做出ASML產品的過程。而我認為其中有幾個重要原因是ASML的Innovation Funnel可以成功的原因 (圖中的1~4點是我另外加上去的 ):

1. 在非常早期的研發過程就跟客戶開始接觸: 這個好處是可以看看ASML選出來的科技, 是否適合客戶的製造環境。而客戶的意見和反饋, 也會是繼續產品開發階段非常好的養分。

2. 跟外面的研究機構/大學有密切的接觸和合作: 其實最初期的技術尋找和開發的風險是很高的, 透過和研究機構/大學的合作, 可以更快速的接觸更多不同的潛在科技, 並且降低技術尋找的成本和風險。

3. 透過產品開發的Key Decision流程, 來降低開發的風險: 一個產品要到市場上, 除了技術風險以外, 還會有市場需求,供應鏈......各種不同的風險。透過產品開發Key Decision的流程 (其中有十幾個關鍵Key Decision), 不同Key Stakeholder會去研究並給予他們最專業的意見, 這個Key Decision流程就保證了這個產品開發過程能夠集合眾人的智慧來降低產品到市場上以後的風險。
   

4. ASML有非常有活力的R&D文化: 當我在荷蘭研發團隊的時候, 我可以感覺到ASML的研發團隊是非常的open有活力的。而且更重要的是, 在荷蘭有超過5000個不同領域的研發人員, 所以我想要討論什麼樣的題目, 都可以找到一個領域專家來討論, 對於我的研發是非常有幫助的。

這個Open Innovation才是ASML成功的關鍵, 因為ASML巧妙地結合了技術和市場的力量, 將非常複雜的產品做出來, 而且在非常早期就驗證/降低市場風險。

總結

其實在早期ASML並不是一個非常火紅的公司, 甚至在2000年初期之前, Nikon才是整個曝光機市場的霸主, 有著最高的市佔率。但我認爲ASML會走到今天的成功, 除了其頂尖的研發技術以外, 非常有活力的R&D DNA, Open innovation的模式, 以及如何應用市場的資本(2012年, ASML發起了一個客戶聯合投資專案, 是EUV後來發展成功的重要關鍵)都是非常重要的部分, 而這些都是有非常高技術能力的台灣可以借鏡的。

下一篇, 我將會把整個視野拉到整個半導體製造, 分享為什麼半導體製造的複雜度這麼高以及整個半導體產業發展出了什麼樣的解決方案。

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