三星臺積電EUV光刻機之戰(zhàn)，邏輯半導體縮放將繼續(xù)

編者注：本文作者湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學工學博士學位，之后一直從事和半導體行業(yè)有關的教學、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導體”的失敗》、《“電機、半導體”潰敗的教訓》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。本文是湯之上隆先生近日發(fā)表于eetimes.jp上的一篇長文。

全文如下：

最先進的EUV（極紫外線）***始于1997年，其全面開發(fā)在20多年后的2018年第三季度。隨后，臺積電在2019年將EUV應用于7nm+工藝量產(chǎn)，2020年5nm的量產(chǎn)同樣采用了EUV技術。

湯之上隆在2007年第一次參加國際光刻技術博覽會（SPIE）時，有一個演示文稿展示了開發(fā)EUV何其困難，如下圖所示。

▲2007年2月在國際光刻技術會議SPIE上（來源：引用自Anthony Yen，ASML，“ EUV光刻及其在邏輯和存儲設備中的應用”，VLSI 2020）

在銀河系的最右端是太陽系，這里有人類賴以生存的地球。然而，EUV量產(chǎn)機與太陽系距離10萬光年，相距如此遙遠，仿佛人類一生都無法觸達它們。十三年前，開發(fā)EUV非常困難。

好在人類的智慧很美妙，來自世界各地的光刻技術研究者將智慧聚集起來，致力于解決每一個課題。結(jié)果在2013年左右，EUV光源輸出這一大難題得以改善，有關人員稱“EUV正接近太陽系”；2016年，EUV“跳入地球大氣層”，被期待已久的研發(fā)設備由荷蘭ASML公司推出。

目前ASML是唯一可以提供EUV***的供應商，其出貨量穩(wěn)步增長，2016年出貨5臺、2017年出貨10臺、2018年出貨18臺、2019年出貨26臺，湯之上隆預計，到2020年ASML將出貨36臺EUV***。

▲ASML的EUV光刻設備出貨量和積壓需求（來源：WikiChip、ASML財務報告和一些作者的預測）

然而，ASML似乎無法滿足先進半導體制造商的訂單數(shù)量，訂單持續(xù)積壓，到2020年第二季度，其積壓需求數(shù)量似乎達到了56臺。

那么為什么會如此缺貨呢？

一、臺積電與三星的EUV之戰(zhàn)

臺積電和三星電子（以下簡稱三星）是僅有的兩家使用EUV技術推進7nm及更小制程研發(fā)的半導體制造商。由于這兩家公司的訂單數(shù)量巨大，因此認為積壓的EUV***訂單正在增加。

關于這兩家公司，作者曾在《三星董事長去世、令人驚訝的半導體業(yè)界“三偉人”的意外共通點》一文寫道，臺積電自2021年依賴每年都需求30臺EUV***，但這被低估了。三星副董事長李在镕于2020年10月13日訪問ASML，并要求ASML在2020年交付9臺EUV***、在2021年后每年交付20臺EUV***。

▲半導體制造商擁有的EUV***累計數(shù)量（來源：每個公司的計劃和作者預測）

作者認為鑒于ASML的生產(chǎn)能力，這是不可能的，但他此前的預測很可能是錯誤的。

因此，在本文中，湯之上隆將解釋臺積電每年需要多少EUV***及原因，以及三星旨在2020年趕上臺積電的EUV實施策略，還將討論ASML能否滿足臺積電和三星的需求。

首先陳述下結(jié)論，雖然對于臺積電和三星來說，這不是一個完整的答案，但ASML預計它將交付接近于這個數(shù)量的EUV光刻設備，助力這兩家公司繼續(xù)推動3nm及更小制程的演進。

下圖顯示了按技術節(jié)點劃分的臺積電季度出貨量百分比。2020年第三季度，其5nm占比為8％、7nm占比為35％，5nm和7nm共占43％。由于其5nm的比例預計在未來會迅速增加，因此估計2021年5nm和7nm的總和將占臺積電總出貨量的大多數(shù)。

▲臺積電微縮化狀況（2020-Q3）（來源：作者根據(jù)臺積電的財務報告創(chuàng)建）

在7nm處，未采用EUV的N7工藝和采用EUV的N7+工藝混合在一起，比例未知。采用EUV的5nm和N7+的出貨價值正以比預期更快的速度迅速增長。

圍繞臺積電最先進工藝的無晶圓廠（Fabless）產(chǎn)能爭奪戰(zhàn)如圖所示。頭部是蘋果，高通、NVIDIA、AMD、賽靈思、博通、聯(lián)發(fā)科、谷歌、亞馬遜等擠在一起，英特爾很可能會加入其中。

▲臺積電先進工藝的無晶圓廠之戰(zhàn)

自2020年9月15日起，由于美國商務部加強出口限制，臺積電不能向中國華為公司供貨半導體產(chǎn)品，而華為約占臺積電總產(chǎn)值的15％。不過這對臺積電幾乎沒有影響，反而其最先進工藝的能力將來可能會不足。

特別是，臺積電的最新工藝嚴重依賴EUV設備，如果無法確保足夠的數(shù)量，則將難以承擔更多的無晶圓廠生產(chǎn)委托。

那么2021年后，臺積電需要多少臺EUV***？

二、臺積電需要多少臺EUV***？

關于臺積電的微縮化和大規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)了解，臺積電采用EUV技術的N7+工藝從2019年開始量產(chǎn)，5nm工藝在2020年量產(chǎn)，3nm設備和材料選擇完成后將在2021年風險生產(chǎn)、在2022年量產(chǎn)，2nm設備和材料計劃在2024年開始量產(chǎn)。

目前尚不清楚N7+的當前月產(chǎn)能，5nm、3nm和2nm的最終月產(chǎn)能以及這些技術節(jié)點的EUV層數(shù)。另外，尚不確切知道批量生產(chǎn)現(xiàn)場的EUV吞吐量（每小時處理的晶圓數(shù)量）和開工率。

在此，為了計算臺積電所需的EUV數(shù)量，請參閱2020 VLSI研討會上的ASML和imec公告，作者將試圖假設如下。

1、在大規(guī)模批量生產(chǎn)期間，每個制程節(jié)點的月生產(chǎn)能力設置為170-190K（K = 1000）；

2、為啟動制程節(jié)點，決定在三個階段引入所需數(shù)量的EUV設備：試產(chǎn)、風險生產(chǎn)和大規(guī)模量產(chǎn)；

3、大規(guī)模量產(chǎn)將分為第一階段和第二階段兩個階段進行；

4、關于EUV層數(shù)，N7+對應5層，5nm達15層，3nm達32層，2nm達45層。

5、EUV的平均產(chǎn)量為80-90個/小時，包括停機時間在內(nèi)的平均開工率為70-90％，每一項的點點滴滴都會逐步改善。

基于上述假設，從2020年-2023年，臺積電一年內(nèi)（想要）引入的EUV***數(shù)量如下圖所示。

▲估算所需的臺積電EUV數(shù)量

首先，到2020年，當5nm大規(guī)模生產(chǎn)及3nm試產(chǎn)啟動時，據(jù)計算將需要35臺新EUV***，計算結(jié)果與圖3中的實際值幾乎相同。

到2021年，5nm生產(chǎn)規(guī)模將擴大，3nm風險生產(chǎn)將啟動，經(jīng)計算所需的新EUV***數(shù)量達54臺；到2022年，當3nm大規(guī)模生產(chǎn)、2nm試產(chǎn)啟動，需要的新EUV***數(shù)量被計算為57臺。

此外，到2023年，當3nm生產(chǎn)規(guī)模擴大、2nm開始風險生產(chǎn)時，所需新EUV***數(shù)達到58臺。到2024年2nm大規(guī)模生產(chǎn)啟動及2025年生產(chǎn)規(guī)模擴大時，所需新EUV***數(shù)被計算為62臺。

根據(jù)該假設得出的結(jié)論（可能是非常不確定的）是，臺積電在2021年-2015年的五年內(nèi)總共需要292臺EUV***，每年平均需新增58臺。

如果自2021年以后，臺積電每年平臺需要不到60臺EUV***，ASML是否能夠滿足這一需求？

三、三星晶圓廠EUV現(xiàn)狀

三星的晶圓代工業(yè)務目前不及臺積電。根據(jù)TrendForce在10月5日發(fā)布的晶圓代工市場份額預測，臺積電約占55％，三星約占16％。

▲2020年晶圓代工市場份額預測（來源：TrendForce）

此外，三星12英寸晶圓的月產(chǎn)能估計約為20萬個，而臺積電月產(chǎn)能超過120萬個。盡管三星宣布它已采用EUV成功量產(chǎn)7nm和5nm，但生產(chǎn)規(guī)模尚不清楚，是否真正大規(guī)模生產(chǎn)也令人懷疑。

聽說臺積電經(jīng)過培訓后，在2018年內(nèi)每月在7-8臺EUV設備上投入6萬-8萬個晶圓。假設每月最大數(shù)量為8萬，則12個月內(nèi)將有96萬個晶圓被曝光?；谶@些巨量的準備和試錯工作，臺積電終于在2019年成功將EUV用于N7+量產(chǎn)。

另一方面，三星如何訓練EUV？

根據(jù)多方信息，三星正通過租用一條月產(chǎn)量約50萬個的大型DRAM生產(chǎn)線，將月產(chǎn)最大不超過1萬個的工廠暫時用于做EUV的量產(chǎn)“練習”。

實際上，有許多報道稱，三星正在將EUV應用到最先進的DRAM生產(chǎn)，三星本身也在2020年5月20日的新聞稿中表示：“用EUV生產(chǎn)的第四代10nm級DRAM已出貨100萬個。”

但是，我們不能真正接受這一點。目前，一個12英寸晶圓上可同時生產(chǎn)約1500個DRAM，因此晶圓數(shù)量為100萬個÷1500個/片=667片。假設產(chǎn)率為80％，則晶圓片數(shù)為100萬÷（1500個/片×80％）= 833片。換句話說，100萬個DRAM是在一條月產(chǎn)50萬的大型DRAM生產(chǎn)線上、以不到1000個的規(guī)模生產(chǎn)出來的。

因此，說三星“出貨了用EUV制造的DRAM”沒有錯，但根據(jù)業(yè)界的常識，不能說“將EUV應用于DRAM的批量生產(chǎn)”。

四、三星的晶圓代工戰(zhàn)略

三星在2019年宣布了“Vision 2030”，計劃到2030年投入了133萬億韓元（約合近8000億人民幣）的巨額資金，聘請15000名碩士、博士等專業(yè)人才，設定了超越臺積電成為晶圓代工領導者的目標。

▲三星代工2030年目標資料（來源：三星代工業(yè)務高級副總裁Shawn Han，“三星基金會成長戰(zhàn)略”，摘錄自2020年11月30日的投資者公告）

此外，如前所述，三星公司副董事長李在镕于2020年10月13日訪問了ASML，并告訴ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink和首席技術官Martin van den Brink：“我們希望在2020年底之前引入9臺EUV，在2021年之后每年引入20臺EUV?！?/p>

但無論投入多少錢，湯之上隆認為ASML承接臺積電的訂單已經(jīng)滿載，因此無法將EUV設備交付給三星。

如下圖所示，三星晶圓代工廠生產(chǎn)的最先進的邏輯半導體，只能發(fā)現(xiàn)其智能手機Galaxy系列的應用處理器和IBM超級計算機的芯片。NVIDIA和高通已將生產(chǎn)承包商更改為臺積電，可能是因為三星使用EUV批量生產(chǎn)的7nm和5nm良率不佳（但由于折扣很大，高通分單給了三星。）。

▲三星的先進邏輯晶圓代工生產(chǎn)什么

這樣，三星與臺積電在EUV光刻設備的數(shù)量和成熟度、晶圓代工廠份額方面的差距不斷擴大，投資133萬億韓元、聘用15000人的“Vision 2030”計劃或?qū)⑹?。就在湯之上隆這么想時，事態(tài)又突然發(fā)生了變化。

五、ASML首席執(zhí)行官訪問三星

2020年12月1日的《韓國商業(yè)報》報道說，ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink等高管于11月底訪問了三星。在訪問期間的會議上，三星要求提供更多的EUV***，并討論了關于下一代高數(shù)值孔徑（high-NA，NA=0.55）EUV設備的合作。

基于High-NA的下一代EUV設備每臺價格預計為5000億韓元（接近30億人民幣），是NA=0.33 EUV的2-3倍。三星計劃在2023年中期推出High-NA原型EUV，這是三星與臺積電競爭的策略，三星希望搶在臺積電前有限獲得High-NA***。

此外，根據(jù)專家提供的信息，三星副董事長李在镕在10月13日訪問ASML期間要求的“2020年9臺EUV***”中，至少有4臺將在2020年抵達三星，其余5臺預計將在2021年初被引入。此外。2021年后，尚不清楚是否會落實“每年20臺EUV設備”，但似乎將會引入類似數(shù)量的EUV***。

六、臺積電和三星EUV引進計劃

綜上所述，經(jīng)計算，臺積電到2020年底已獲得61臺EUV，2021年后的五年間平均每年需引入58臺EUV***。同時，三星似乎從2020年底到2021年初已獲得9臺EUV***，并要求此后每年引入20臺。因此，估算到2021年后，臺積電和三星將總共每年需要約80臺EUV***。

根據(jù)三星的要求，如果按照作者的計算為臺積電引入EUV，那么將如下圖所示，到2025年底，三星將擁有119臺EUV***，臺積電將擁有353臺。此外三星可能早于臺積電安裝多個High-NA原型設備。

▲臺積電和三星擁有的EUV***數(shù)量預測（來源：每個公司的計劃和作者的預測）

問題在于，ASML是否每年可以生產(chǎn)和供應約80臺EUV***。下面，文章將根據(jù)ASML過去向投資者公開的材料，來討論這種可能性。

七、ASML EUV生產(chǎn)計劃

下圖是ASML在2016年10月31日“Investor Day”期間向投資者們展示的信息。EUV***在ASML稱之為Cabin的潔凈室中生產(chǎn)。

由于一個Cabin生產(chǎn)一臺EUV***，因此增加Cabin的數(shù)量才能批量生產(chǎn)EUV***。

▲ASML EUV擴增Cabin計劃的來歷資料（來源：為投資資本家發(fā)布基礎摘取自ASML簡介材料“ EUV行動及其商業(yè)服務臺”，2016年10月31日）

從上圖可見，ASML在2014年有15個Cabin，2015年增加了10個Cabin至25個Cabin。之后可以看出，該計劃是根據(jù)需要來增加Cabin的數(shù)量，另據(jù)專家的信息，ASML到2020年將擁有35個Cabin。

下一個問題是，在一個Cabin中組裝一臺EUV，需要花費幾個月的時間？

截至2016年，生產(chǎn)一臺EUV將花費超過12個月的時間。這是因為ASML在2016年僅交付了5臺EUV***，在2017年交付了10臺，在2018年交付了18臺。

ASML在2019年出貨了26臺EUV***，但可以估計25個Cabin中的每個Cabin在一年內(nèi)生產(chǎn)了一臺EUV。如果按35個Cabin中每個Cabin在一年內(nèi)生產(chǎn)一臺EUV來算，ASML在2020年可以交付36臺EUV***。

▲ASML EUV生產(chǎn)預測

那么，ASML能做什么來滿足2021年以后臺積電、三星總共70-80臺EUV***的需求？

突然將Cabin數(shù)量從35個增至80個是不可能的，那么別無選擇，只能縮短一臺EUV***的組裝時間。

直到2019，生產(chǎn)一臺EUV***似乎花了12個月的時間。但到2020年，在三星副董事長訪問后，EUV***出貨量又增加4臺，因此將總共出貨40臺。換句話說，每臺EUV***的組裝時間從12個月縮短至10個月。

如果35個Cabin的建設期為10個月，則可以生產(chǎn)42臺EUV***；如果建設期為8個月，則可以生產(chǎn)52臺；如果建設期為6個月，則可以生產(chǎn)70臺。

對縮短施工時間影響最大的部分，是卡爾·蔡司（Carl Zeiss）生產(chǎn)的用于EUV的光學鏡頭。根據(jù)有關人士的信息，卡爾·蔡司鏡的生產(chǎn)效率正在逐步提高，EUV生產(chǎn)的建設周期似乎正在縮短。

也就是，每年交付70臺EUV***，似乎并非不可能實現(xiàn)的事。

八、ASML的預測

在2018年11月8日“Investor Day”期間，ASML向投資者展示了2020年的EUV需求和預測，包括高需求和低需求兩種類型的預測，而實際情況接近高需求。

▲ASML的2020 EUV設備需求和引進預測（來源：摘自ASML的投資者簡報材料“業(yè)務模型和資本分配策略”，2018年11月8日）

根據(jù)ASML的高需求預測，對EUV***的需求量為35臺，而引進量為33臺。與之對照，2020年共交付了40臺EUV***。簡而言之，實際需求超出了ASML預測的高需求。

此外，ASML用上述材料預測了2025年EUV的需求和引入。在高需求下，high-NA預計為9臺+55臺，也就是說預計將總共有64臺EUV***的需求。

▲ASML的2025年EUV需求和引進預測（來源：摘自ASML的投資者簡介材料“業(yè)務模型和資本分配策略”，2018年11月8日）

實際上，自2021年以來，臺積電和三星的總需求量約為80臺EUV***。而ASML早在兩年前就預測了64臺的需求量，因此對于ASML，是可能滿足超出預期的需求的。

由于2019年和2020年沒有“Investor Day”，因此目前尚不清楚ASML如何在過去兩年中調(diào)整其對EUV需求和采用量的預測。不過，為響應自2018年以來向上修訂的需求，ASML將計劃縮短EUV設備的打造時間并增加Cabin數(shù)量。

結(jié)語：邏輯半導體縮放將繼續(xù)

綜上所述，盡管臺積電和三星對大約80臺EUV***的需求量不會立即得到完全響應，但預計ASML在未來幾年內(nèi)將交付類似數(shù)量的EUV***。隨著EUV***數(shù)量增長，3nm和2nm將走向批量生產(chǎn)。

關于臺積電和三星的微縮化競爭，看來臺積電將在EUV成熟度和3nm的大規(guī)模生產(chǎn)方面處于領先地位。但三星計劃盡快推出High-NA，可能會在2nm之后恢復。

在邏輯半導體方面，imec的Myung Hee Na在IEDM2020上宣布了直至1nm的半導體路線圖。

▲邁向1nm制程的半導體路線圖（來源：imec）

根據(jù)該路線圖，邏輯半導體制程將發(fā)展向2nm、1.4nm、1nm乃至0.7nm，摩爾定律仍然存在。

臺積電和三星在2nm之后的微縮化競爭中將占據(jù)主導地位？還是會出現(xiàn)黑馬？我們將繼續(xù)關注EUV和使用該技術的微縮化。