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ASML的称霸之路

ASML的稱霸之路

半導體行業觀察 ·  10/12 09:20

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上世紀80年代初,小鎮費爾德霍芬靜靜地享受着鄰近城市埃因霍溫的紅利。埃因霍溫因荷蘭電子巨頭飛利浦的存在而成爲一個蓬勃發展的工業中心。隨着飛利浦推動該地區的技術創新,其影響力不僅侷限於埃因霍溫,還催生了一股波及費爾德霍芬的工業活動與技術專長。這種地理上的接近,使得費爾德霍芬成爲高科技發展的沃土,爲其最終在全球科技版圖中嶄露頭角奠定了基礎。

最初,ASML只是飛利浦公司內部的一個部門,許多人認爲它是個負擔而非機遇。事實上,它被視爲飛利浦的「問題兒童」——一個在光刻業務領域掙扎了十餘年卻收效甚微的項目。飛利浦內部的笑談是,創建ASML無非是對被轉入員工的「延遲裁員」。

儘管內部充滿懷疑,飛利浦還是看到了與另一家荷蘭半導體制造設備公司ASM International合作的潛力。ASM International如今在原子層沉積(ALD)和外延設備領域佔據領先市場地位,這些設備用於先進芯片的生產。1984年,ASML通過飛利浦與ASM的合資成立,總部設在費爾德霍芬。起初,公司被普遍認爲是失敗的,不僅沒有商業前景,甚至連合適的辦公地點都沒有。其最初的工作場所只是埃因霍溫飛利浦園區內的幾間木製營房。員工士氣低落,許多人對該項目的前景持懷疑態度,認爲它從一開始就註定失敗。

儘管開局如此黯淡,ASML仍然擁有幾個關鍵資產。公司繼承了飛利浦開發的兩項行業領先技術,一小批頑強的工程師,以及光刻行業即將迎來重大技術轉型的獨特機遇。

早期的日子充滿艱辛,ASML勉強維持生存,主要依賴飛利浦和ASM的財務支持才能維持運營。PAS 2000(飛利浦自動步進器),是ASML的首臺系統(儘管被稱爲「機器」,但ASML將其稱爲「系統」),該系統由飛利浦繼承並以其原名「ASM Lithography」出售。然而,這款設備並未取得成功,其採用的油基液壓系統使得它無法在市場上出售,因爲潛在的油煙會污染生產芯片的嚴格控溫潔淨室。這迫使公司不得不重新審視其設計思路。

ASML的歷史中不乏偶然的轉折,其中之一便與TSMC創始人張忠謀有關。1987年,當TSMC剛起步時,張忠謀下了大額訂單購買ASML的光刻機。然而,在交付後不久,TSMC的工廠發生了一場火災,毀壞了這些設備。本來可能是一次災難性的挫折,結果卻成了ASML的幸運之舉。TSMC的保險賠付了損失,迫使公司重新訂購同樣的設備,這實際上使得ASML的訂單翻倍。據報道,這一事件不僅鞏固了TSMC與ASML之間的關係,還爲ASML在其最爲艱難的財政時期帶來了關鍵的財務支持。

ASML的PAS 5500軟件配置軟盤套裝

直到90年代初,ASML才終於迎來了其首個突破——PAS 5500,由當時年輕的馬丁·Van den Brink(Martin van den Brink)設計,稍後你將了解到更多關於他的信息。經過財務和研發實驗室的堅持,ASML開始扭轉局面。很快,ASML成爲光刻行業的三大巨頭之一,與日本的尼康和佳能並駕齊驅。2002年,距離飛利浦和ASM決定再次給予ASML機會近二十年後,該公司超越尼康,成爲行業第一。但ASML並未止步於此,而是繼續突破界限,投資於許多被認爲無法實現的開創性技術。

極紫外光刻時代

如前所述,光刻技術的根源可以追溯到數十年前。最初,半導體制造商使用自然光進行光刻——一種將微小電路蝕刻到硅晶圓上的過程。然而,隨着對更小晶體管的需求增加,使用可見光的侷限性逐漸顯露。光波不沿直線傳播,隨着圖案縮小,開始扭曲被蝕刻的電路圖案。

爲了應對這一挑戰,行業逐漸演變,光源從可見光轉向紫外光,最後轉向深紫外光(DUV)。到90年代和2000年代,DUV光已經成爲標準,使用激光實現193納米的波長。然而,隨着芯片尺寸縮小到幾納米(1納米爲十億分之一米,大約是人類頭髮寬度的十萬分之一),即便是DUV光也顯得難以應對,猶如用剷雪工具簽名一樣笨拙。

若要跟上摩爾定律(英特爾創始人之一戈登·摩爾在1965年提出的觀察:芯片上晶體管的數量大約每兩年翻一番),行業顯然需要下一代解決方案。得益於行業快速的創新步伐,這一觀察自那時起一直得到驗證。

認識到DUV的侷限性,半導體行業在90年代開始探索極紫外光(EUV)。這一理論概念早在十年前就已提出,但被認爲幾乎無法商業化。原因何在?

「常用」的EUV光產生方式是激光產生等離子體。在這一過程中,每秒向一滴約爲50,000次的熔融錫噴射激光,從而產生髮出EUV光的等離子體。在這個過程中產生的等離子體溫度可以達到數十萬攝氏度,遠高於太陽表面的5500度。

爲了能夠使用EUV蝕刻硅晶圓以生產芯片,光必須通過一系列精密鏡子進行引導,這些鏡子聚焦並調整光束,然後照射在包含所需電路圖案的光掩模上。EUV光將這些圖案投射到塗有光敏材料的硅晶圓上,從而實現複雜半導體特徵的製造。根據馬克·希金(Marc Hijink )在其富有洞察力的傳記《FOCUS: The ASML Way》中的描述,沒有任何人能夠完全理解這些機器的每個操作細節。

EUV光刻系統內部運作的示意圖

重大突破

對EUV的深入研究由一個由美國能源部資助的財團主導,旨在重新奪回在光刻領域對日本競爭對手失去的市場份額。然而,美國缺乏能夠推進這一技術的本土光刻製造商。於是,ASML被邀請加入該財團,負責EUV技術的開發。這一機會成爲ASML的一個關鍵轉折點。

幾年後,2001年,ASML通過收購美國公司硅谷集團(Silicon Valley Group,簡稱SVG)做出了變革性的舉動。儘管這一舉動遭到激烈的反對,許多有影響力的人擔心美國在光刻競賽中會失去地位,但經過數月的反覆協商,華盛頓的政策制定者批准了這項交易。這在很大程度上得益於與美國政府保持緊密關係的英特爾。此次收購不僅僅是ASML業務的簡單擴展,而是一個經過深思熟慮的戰略決策,極大地影響了半導體行業的未來。

通過收購SVG,ASML不僅消除了一個關鍵競爭對手,還獲得了SVG的寶貴知識產權和EUV許可、持續的研究成果以及工程人才。這些知識資本對加速ASML的EUV發展至關重要。那時,英特爾、TSMC和三星等芯片製造商都是SVG的客戶,因此ASML也加強了與這些關鍵客戶的關係。這是公司成功商業化EUV道路上的一個重要里程碑。

最初的計劃是在2000年代中期引入EUV技術,但開發過程比預期的要困難得多。到2010年,儘管投入了數十億美元進行研發,該技術仍未準備就緒。2012年,ASML獲得了英特爾、三星和TSMC的重大投資,他們共同持有ASML 23%的股份,並提供了14億歐元的研發資金。

這一合作被稱爲「火槍手計劃」(The Musketeer Project),不僅僅是提供財務支持,更是一個戰略聯盟,確保ASML擁有克服與EUV開發相關的巨大最終挑戰所需的資源和技術專長。據報道,這一舉措被認爲是將這一期待技術推向市場的「最後一大推動」,最終在2019年實現——比最初計劃晚近二十年,且距最初理論概念的提出已近四十年。

儘管日本的尼康和佳能在開發極紫外光(EUV)方面做出了重大努力,但最終由於巨大的成本和技術挑戰不得不放棄。而ASML則具備了資源、支持、商業模式和決心,能夠堅持完成該項目。開發可商業化的EUV光刻系統所需的複雜性及其相關的研發成本形成了巨大的進入壁壘。

如今,ASML的EUV機器對於生產最先進的芯片至關重要,而這些芯片又推動了幾乎所有現代計算技術的進步。因此,ASML在推動從智能手機到超級計算機、再到自動駕駛車輛和醫療設備的能力提升方面扮演了至關重要的角色。將更多晶體管集成到單一芯片中,可以實現更強大的處理器、更高效的內存以及開發複雜的算法,以增強人工智能等前沿技術。

這些機器——常被描述爲人類建造的最複雜的機器——大致與一輛雙層巴士的大小相當。運輸這些設備本身就是一項工程挑戰,每臺機器的運輸需要七架波音747飛機。機器的每個單獨部件也會在其專用的集裝箱中運輸,以確保在進入晶圓廠之前溫度保持在理想範圍內。預計到2025或2026年投入高產量製造的下一代ASML設備將更大。這款即將推出的高NA EUV機器,英特爾是率先使用的公司,價格據報道爲3.5億美元。而較舊的EUV機器根據型號的不同,售價約爲1.5億至2.5億美元。

將ASML的TWINSCAN EXE:5000的尺寸與人體進行視覺比較。

光刻機的生命週期

一旦這些龐大的機器抵達半導體制造廠(即生產設施)會發生什麼?這些機器的生命週期是怎樣的,ASML又是如何保持其主導地位的?

當像台積電(TSMC)或三星等芯片製造商投資ASML的光刻機時,他們不僅僅是在購買一臺設備,而是在獲取一項長期資產和數十年的合作伙伴關係。這些機器是爲長期使用而設計的。事實上,ASML最近透露,過去30年中售出的光刻機中,有90%仍在運行——考慮到其複雜性,這一點非常了不起。部分機器仍在其原始地點運作,而另一些在首次使用結束後經過翻新轉售給其他製造商。甚至他們的一些舊PAS 5500系統仍在生產芯片。

因此,一旦安裝,這些機器可以運行數十年,這是在資本成本高昂的行業中至關重要的因素——建造一座尖端晶圓廠的資本成本通常超過150億美元。此外,ASML在使這些機器不僅運行,還能持續改進方面掌握了訣竅。他們提供服務,以在安裝後數十年內升級和增強機器,並在每個使用ASML機器的設施中提供24/7的服務人員。這意味着今天購買的機器在接下來的幾十年裏可以繼續變得更加高效和生產力。這種升級能力確保了客戶在投資中看到持續的價值,進一步激勵他們選擇ASML並在未來的需求中保持忠誠。

ASML的收入模型反映了與客戶的長期關係。新機器銷售約佔ASML收入的75%,其餘25%來自服務和現場選項,包括維護和升級。這種多元化的收入來源也幫助ASML在半導體行業經歷不可避免的週期時保持穩定的收入。這在某種程度上爲ASML的商業模式增添了剃刀-刀片的特徵。此外,培訓ASML的服務人員是一個高度專業化的過程,需時約兩年,這進一步增加了他們運營的複雜性,並增強了公司的競爭優勢。

半導體行業歷史上一直具有周期性,ASML的經歷也不例外。然而,近年來,這些週期對ASML的影響減輕了。其中一個原因是,如前所述,ASML在某些類型光刻設備的唯一生產商這一獨特地位。如果像台積電這樣的製造商希望生產下一代芯片,他們必須通過ASML。由於沒有競爭對手,製造商在經濟艱難時期也不願意取消訂單,因爲他們知道一旦需求再次上升就會失去排隊的機會。

半導體價值鏈

以下是一個詳細的信息圖,解釋了半導體行業的複雜動態,展示了像台積電、英偉達、博通和ASML等100多家關鍵參與者如何融入這一生態系統。

該信息圖描繪了半導體價值鏈,其中包括按行業細分的100多個關鍵參與者。

供應鏈精通

ASML商業的另一個重要方面是其採購和組裝的商業模式。儘管ASML銷售的是地球上最複雜的機器,但大約90%的零部件都是由第三方開發和提供。ASML本質上並不算是製造商,而是一個架構師——與全球數千家供應商的高度專業化網絡共同開發和採購零部件。大約80%的銷售成本來自這些外部組件和材料,而只有20%歸因於ASML設施的勞動成本。

這一模式實際上是出於必要而生。在早期,ASML缺乏採用資本密集型的垂直整合模式的資源,而這一模式正是日本競爭對手如尼康和佳能所使用的。因此,他們別無選擇,只能依賴外部供應商。這一模式現在發展成ASML的關鍵競爭優勢,因爲隨着技術的進步,ASML與供應商的獨特關係不斷深化。有人甚至可以說,ASML的研發支出被嚴重低估,因爲其複雜的供應商網絡每年都在額外投入數十億資金,以完善他們的光刻機組件。

因此,極紫外光刻系統中最關鍵的元素,不是任何單個組件,而是ASML在供應鏈管理方面的專業知識。根據前執行副總裁兼首席戰略官弗裏茨·範·霍特的說法,ASML以「機器」的方式構建了這一商業關係網絡,創建了一個精密調整的系統,使數千家公司能夠滿足其嚴格的要求。

爲了確保這一複雜供應鏈的穩定,ASML爲供應商建立了一些關鍵標準。每個供應商的收入中來自ASML的比例不得超過40%,以避免在不可避免的半導體行業下行週期中破產。由於大多數組件都是單一來源,這使得找到替代供應商通常是不可能的。因此,ASML有時會向陷入困境的供應商注入資本,或者在Cymer和Berliner Glas的情況下,收購整個公司。不過,收購供應商被視爲最後的選擇。

蔡司SMT光學元件的關鍵作用

雖然每個部件都發揮着至關重要的作用,但 ASML 最重要的供應商之一是蔡司半導體制造技術公司 (Zeiss SMT)。蔡司這個名字可能聽起來很熟悉,因爲卡爾蔡司集團的醫療技術部門Carl Zeiss Meditec是上市公司。然而,蔡司半導體制造技術公司及其母公司都是私營企業。蔡司半導體制造技術公司位於德國巴登-符騰堡州,距離費爾德霍芬僅 6 小時車程,開發了 ASML 的 EUV 機器中使用的先進光學系統。

兩位蔡司SMT工程師正在檢查 ASML EUV 機器中使用的新光學系統

光學系統本身就是一項令人難以置信的技術成就,也是一件龐然大物,整個系統重達數噸。它利用超專業鏡子來反射和引導 EUV 光,因爲傳統鏡頭無法在這些波長下使用。激光在鏡子上反射約 40 次,然後最終到達光掩模,再到達硅晶片。要使這種激光反射練習成功,蔡司的鏡子必須非常平坦。事實上,這些鏡子是人類有史以來製造的最平坦的表面之一,與完美平坦度的偏差只有幾納米。這些光學系統僅供應給 ASML。

鑑於ASML所形成的極其獨特的地位,人們可能會合理地想知道該公司的定價是如何演變的。是的,從絕對美元價值來看,EUV系統極其昂貴,但ASML確實希望確保他們爲客戶提供的價值能夠證明其投資是合理的,這就是他們不抬高價格的原因。他們的供應商關係也是如此,他們可能擁有巨大的未開發的議價能力,因爲許多供應商嚴重依賴這家荷蘭巨頭。ASML希望實現長期優化。

ASML的成功數字

2023年,ASML的收入爲276億歐元,同比增長30%。其營業利潤飆升38%,達到 90 億歐元。對於一家以「問題兒童」起家的公司來說,這相當令人印象深刻。該公司的市值現已超過 3000 億歐元,成爲歐洲第三大公司,僅次於 Novo Nordisk 和 LVMH,因此也是世界上最大的公司之一。

儘管這些數字令人印象深刻,但令人驚訝的是 ASML 每年銷售的機器數量相對較少。2023 年,ASML 共售出 449 臺光刻機。這些不是典型意義上的量產產品;每台都是高度專業化且價格極其昂貴的設備。

截至 2024 年,ASML 在全球 60 多個地區擁有超過 42,000 名員工,包括按工資單和靈活合同工作的員工。該公司的總部仍設在荷蘭費爾德霍芬,擁有超過一半的員工。這是世界上最專業化的團隊之一,他們合作解決全球一些最複雜的技術挑戰。頂級工程師、物理學家、軟件開發人員和供應鏈專家都爲製造 ASML 機器所需的複雜協調做出了貢獻。

一臺 ASML EUV 機器包含超過 700,000 個組件。相比之下,一輛普通汽車大約有 30,000 個零件。您現在可能已經明白,這些機器的複雜性令人難以理解。每個零件都必須經過完美校準,才能在需要原子級精度的系統中發揮作用。而且,該系統是共同開發的,依賴於從數千家供應商組成的高度專業化的網絡採購零件。

ASML 數據的一個有趣方面是其規模,尤其是當你考慮到它的起源時。爲了真正了解 ASML 的成功和規模,我們決定將其與其母公司進行比較。在過去的三十年裏,飛利浦分拆出了三家大公司:1984 年成立的 ASML、 2006 年成立的NXP和2016 年成立的Signify。你還能想到哪些其他分拆出來的母公司呢?丹納赫?Constellation Software?

飛利浦旗下誕生了三家大公司:1984年誕生的ASML,2006年誕生的NXP,2016年誕生的Signify。

集中的客戶群

ASML的客戶群高度集中,據業內專家稱,前兩大客戶約佔其收入的 60%。雖然 ASML 沒有披露確切數字,但它在每一份業績中都一致指出客戶集中度是主要風險。這種狹窄的客戶群反映了半導體行業的專業性,只有少數公司有能力和財力生產領先的半導體,因此,才會購買 ASML 的 EUV 機器。

這些客戶並非普通公司,而是像台積電、三星、英特爾和聯電這樣的巨頭,財力雄厚。他們是全球少數能夠真正利用 ASML 技術製造世界上最先進芯片的公司。這種集中化看似風險很大,但這是行業結構的自然結果,幾乎無法避免。

現金流和「隱藏」定價能力

ASML 是一家現金流強勁的公司,息稅前利潤和經營現金流均持續超過 30%。值得注意的是,該公司的經營現金流經常超過其息稅前利潤。這種強勁的現金流狀況部分歸因於客戶經常爲其設備預付定金,這爲ASML繼續在研發和產能擴張方面投入大量資金提供了財務緩衝。這可以說是一種定價權,儘管比通常的提價方式更爲微妙。

ASML強大的現金生成能力使其能夠在業務再投資和股東回報之間保持良好的平衡。該公司每年將約15-16%的收入用於研發。需要考慮的重要一點是,這個數字忽略了供應商的研發工作,而供應商實際上是承擔最重負擔的人。

2005年至2023年ASML的收入和EBIT發展情況

成功背後的領軍人物

ASML迅速崛起的核心是領導團隊,他們將公司從一家被忽視的弱勢公司帶入了行業巨頭。其中,Peter Wennink脫穎而出——這位領導者在進入 ASML 之前就開始了與該公司的合作。

1995年,Wennink在德勤工作,領導團隊管理 ASML 的IPO。在研究該公司的潛力時,他發現自己被該公司的願景和挑戰所吸引。ASML不僅僅是一個客戶,它已經成爲一種激情。他學得越多,就越意識到自己想成爲ASML故事的一部分。

四年後,即1999年,Wennink跳槽加入ASML擔任首席財務官。他的影響立竿見影,意義深遠。他帶領公司經歷了幾次起起落落,最終於2013年升任首席執行官。在他的領導下ASML克服了最艱鉅的挑戰,鞏固了其在該領域無可爭議的領導者地位。Wennink在公司度過了 25 年的變革期,於2024年4月退休,將接力棒交給了克里斯托夫·富凱 (Christophe Fouquet),他是一位經驗豐富的領導者,曾在ASML擔任過各種關鍵職務,任期長達 17 年。

但如果有一個名字與ASML的成功息息相關,那就是我們之前提到的Martin van den Brink。Van den Brink 是該公司的前首席技術官兼總裁,他從一開始就是 ASML 的一員。今年早些時候,他與Peter Wennink一起退休,標誌着ASML歷史上兩位最關鍵人物的離職——這一發展可能預示着該公司未來將面臨挑戰。Van den Brink早在1983年就加入飛利浦,並在ASML成立之初就在那裏工作。當時,正如之前所說,業內許多人認爲他加入的部門註定會失敗。儘管有這些疑慮,van den Brink還是堅持了下來。

他在ASML的早期日子過得非常艱難,因爲當時公司正處於災難的邊緣,難以將第一款成功的產品推向市場。公司成立僅兩年後,Van den Brink就擔任了領導職務,負責產品開發。起初,人們認爲他的領導只是權宜之計,但事實證明他的領導非常有效,以至於公司直到他退休之前都沒有找到比他更適合這個職位的人。

1995 年,Van den Brink加入管理委員會並被任命爲首席技術官(仍主要負責產品開發),直到退休前他一直擔任該職位。他被廣泛認爲是一位天才,他不斷突破極限,爲 ASML 乃至整個半導體行業做出了重要貢獻。在從 ASML 首席技術官一職退休的同時,Van den Brink加入了 ASM 監事會。

Martin van den Brink(左)和Peter Wennink(右)

創新文化

說到ASML成功背後的關鍵人物,我們還必須強調其獨特的公司文化。與許多以公司名義申請專利的組織不同,ASML鼓勵員工以自己的名義申請專利。這種做法培養了一種自豪和主人翁精神的文化,在這種文化中,創新不僅受到期待,而且受到讚揚(事實上,創新部分歸個人所有)。

這種文化最具象徵意義的舉動之一是將年度最佳創新者的面孔刻在硅片上,然後將其放在公司總部顯眼的位置展示。這種表彰既是一種激勵,也是一種提醒,提醒人們個人的貢獻推動了公司的成功。

從未發生的收購:ASML如何保持獨立

深入探究這個故事,人們可能會問爲什麼ASML還沒有被收購。這個問題似乎很愚蠢,好像每家偉大的公司最終都會被收購一樣。然而,考慮到 ASML 在一個由少數巨頭主導的蓬勃發展的行業中的關鍵作用,ASML仍然保持獨立乍一看相當奇怪。考慮到其目前的市值——現在是一個相當大的障礙——今天的答案可能看起來很簡單和合乎邏輯。然而,更有趣的是半導體行業本身的協作性質。

半導體行業的成功始終取決於各個細分領域的分工,每個細分領域都有自己的專家。這種專業化使得ASML作爲一家獨立公司取得了顯著成功,這對所有主要半導體制造商的發展至關重要。有人可能會說,這是一種在半導體領域相互扶持的底層協議,因爲許多最大的參與者依靠彼此取得成功,而不是正面競爭。

想象一下,如果三星或台積電這樣的公司十年前收購了ASML。資助和開發ASML的 EUV 光刻技術所需的合作努力可能永遠不會實現。如果直接競爭對手擁有ASML,對行業發展至關重要的其他代工廠或無晶圓廠芯片設計公司也不太願意做出貢獻。不過有趣的是,應用材料和KLA都是美國公司,並且在自己的一些製造設備領域佔據主導地位,它們在千禧之際都曾與ASML洽談收購事宜。兩家公司都被拒絕了,而ASML的獨立性使其能夠獲得整個行業的持續支持——最終使所有參與者受益。

結束語

ASML曾是飛利浦和ASM合資的一家規模很小、舉步維艱、鮮有人相信的合資企業,但憑藉有限的資源和不懈的創新,ASML成爲了全球最先進芯片製造設備的唯一供應商。如今,ASML不僅是全球科技領域的關鍵參與者,更是全球科技領域的基石。ASML 的市值超過 3000 億歐元,仍然是半導體價值鏈中的重要支柱,其突破技術界限的旅程顯然還遠未結束。

譯文內容由第三人軟體翻譯。


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