簡(jiǎn)述EUV光刻機(jī)路線圖

在科技行業(yè)，在硬件方面最受關(guān)注的公司是英偉達(dá)、蘋果、高通和AMD等芯片公司，或英特爾、三星和臺(tái)積電這些芯片制造公司。雖然半導(dǎo)體制造設(shè)備的供應(yīng)商鮮為人知，但其中還有一家頗有名氣的公司，那就是來(lái)自荷蘭的 ASML。

ASML 生產(chǎn)用于制造從邏輯到 NAND（用于 SSD、閃存等）和 DRAM 等幾乎所有芯片的光刻設(shè)備。這些工具使用光在晶圓上“打印”特征、制造晶體管等。多年來(lái)，該行業(yè)一直使用 193 納米波長(zhǎng)的“深紫外光 （“DUV”） 光刻技術(shù)”。大約在 2000 年代中期，這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到“浸沒(méi)式光刻”：這項(xiàng)技術(shù)在透鏡和晶片之間使用水。這將NA（breaking index）從大約 1.0 提高到大約 1.35，從而將工具的分辨率提高了類似的量。

業(yè)界預(yù)估，在 32nm 節(jié)點(diǎn)及以下節(jié)點(diǎn)（早在十多年前），光刻機(jī)光源步長(zhǎng)將從 193nm 躍升至 13.5nm 光，后者稱為極紫外或 EUV，這將大大提高分辨率，以繼續(xù)摩爾定律的驚天縮放。NA 從 1.35 下降到 0.35 可以部分抵消波長(zhǎng)的這種改善。

然而，與商用DUV 工具的約 300WPH 相比，早期的 EUV 工具的吞吐量極低，僅為每小時(shí) 10-40 個(gè)晶圓的訂單（“WPH”）。這種低吞吐量意味著該工具在商業(yè)上不可行。這導(dǎo)致了多年的延誤，因?yàn)?ASML 投資解決這些問(wèn)題。

與此同時(shí)，為了繼續(xù)微縮，業(yè)界發(fā)明了（昂貴且復(fù)雜的）“多重圖案化”方案：這些技術(shù)多次曝光晶圓以創(chuàng)建一個(gè)特征，需要多個(gè)（同樣昂貴的）“掩?！?。（掩膜定義了“印刷”在晶圓上的特征，作為芯片的模板。）順便說(shuō)一句，這也是英特爾在 14 納米和 10 納米中遇到大量良率問(wèn)題的原因之一。

最終，在過(guò)去幾年中，這些 EUV 工具已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，臺(tái)積電 5nm 是第一個(gè)旨在在多層上廣泛使用 EUV 的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)自 2020 年開(kāi)始量產(chǎn)。

總之，從 DUV（193nm 光）到 EUV（13.5nm 光）的過(guò)渡對(duì)延續(xù)摩爾定律起著重要作用。而ASML 是世界上唯一一家可以提供 EUV 工具的公司。

EUV設(shè)備的需求

雖然有多家 DUV 光刻工具供應(yīng)商，但正如所指出的，只有一家企業(yè)擁有 EUV光刻機(jī)，那就是ASML。這意味著 ASML 作為該工具的唯一供應(yīng)商發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其EUV設(shè)備的平均售價(jià) （“ASP”） 遠(yuǎn)超過(guò) 1 億美元（具體而言超過(guò) 1.4 億美元），并使 ASML 成為股市中真正的贏家。它在過(guò)去幾年推動(dòng)了后者的收入和收益，EUV 現(xiàn)在幾乎占其超過(guò) 100億收入的一半。

ASML 宣布，其在 2020 年出貨了 31 臺(tái) EUV 工具。雖然這表明 EUV 現(xiàn)已達(dá)到成熟，但仍低于其 35 臺(tái)出貨計(jì)劃。（如果我沒(méi)記錯(cuò)的話，由于從 2019 年到 2020 年初有 4 種工具已經(jīng)下滑，所以計(jì)劃確實(shí)是 39 次出貨。）然而，未能達(dá)標(biāo)的部分原因是英特爾有據(jù)可查的 7nm 延遲：這減少了 ASML四個(gè)單位的出貨量。此外，實(shí)體清單也給臺(tái)積電帶來(lái)了問(wèn)題，其前 5 大客戶之一（華為）在幾個(gè)季度內(nèi)消失了。

正如 ASML 的首席執(zhí)行官所解釋的那樣，這兩個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致該公司預(yù)計(jì)需求低于預(yù)期，因此轉(zhuǎn)向其供應(yīng)鏈以減少 2021 年的產(chǎn)量。

ASML 首席執(zhí)行官表示：這只是對(duì)去年第二季度和第三季度發(fā)生的事情的反映，你知道，我們的主要代工廠客戶顯然回來(lái)說(shuō)，聽(tīng)著，我們的 N3 主要客戶現(xiàn)在被列入黑名單。

所以，我們不能發(fā)貨。因此，我們需要調(diào)整 EUV 系統(tǒng)的 2021 年展望，隨后另一位客戶表示，嗯，我們將推遲路線圖，這也意味著這將推遲一年，這實(shí)際上導(dǎo)致了一種情況我們實(shí)際上減少了 EUV 計(jì)劃系統(tǒng) 2021 的數(shù)量，因?yàn)榭蛻粽f(shuō)，這是兩個(gè)原因。他們是兩個(gè)大客戶。

然而，從那時(shí)起發(fā)生的事情可能是眾所周知的：半導(dǎo)體短缺。首先，臺(tái)積電宣布了 2020 年 280美元的巨額資本支出指引，以應(yīng)對(duì)對(duì)其領(lǐng)先工藝技術(shù)的需求激增。后來(lái)進(jìn)一步增加了到300億美元，并且在三年內(nèi)的總體預(yù)期為1000億美元。

雖然半導(dǎo)體晶圓廠肯定需要其他工具，但顯然資本支出的大幅增加將成比例地使 ASML 受益。

其次，英特爾自 7 納米延遲以來(lái)的演變也有記錄。特別是，英特爾新任 CEO 特意將“全面擁抱 EUV”作為讓 7nm 重回正軌的關(guān)鍵原因，修訂后的 7nm 工藝流程包含兩倍的 EUV 層數(shù)。這顯然也有利于英特爾未來(lái)對(duì) EUV 的需求。例如，雖然上面的引用談到了四個(gè)系統(tǒng)，但最近 ASML 實(shí)際上只談到了兩個(gè)系統(tǒng)。顯然，英特爾在 EUV 上的支出將在 2022 年及以后增加。

為了滿足所描述的需求，ASML 此前曾表示將在 2021 年提高其生產(chǎn)能力，最多可生產(chǎn) 45-50 個(gè) EUV 工具。然而，鑒于供應(yīng)鏈的交貨時(shí)間較長(zhǎng)以及上一節(jié)所述的問(wèn)題，ASML 無(wú)法及時(shí)對(duì) EUV 需求的增加做出反應(yīng)。因此，ASML 很可能在 2020 年僅提供約 40 個(gè)設(shè)備。

有人指出，這將導(dǎo)致 ASML 連續(xù)第四年或第五年無(wú)法達(dá)到其年度交付目標(biāo)，但當(dāng)然只是討論了對(duì)此的提醒。

盡管如此，預(yù)計(jì) ASP 的增加也將帶來(lái)進(jìn)一步的增長(zhǎng)，路線圖上有幾個(gè)升級(jí)的工具，這將帶來(lái)改進(jìn)，例如更高的 WPH 吞吐量。ASML 預(yù)計(jì)其即將推出的工具將與其公司毛利率以及低兩位數(shù)的 ASP 增長(zhǎng)（從約 1.4 億美元的水平）達(dá)到平價(jià)。2023 年工具實(shí)際上將在毛利率上交叉。

還有一些因素可以帶來(lái)額外的增長(zhǎng)。例如，服務(wù)收入取決于曝光的晶圓數(shù)量，直到最近，這對(duì)于 EUV 來(lái)說(shuō)仍然很低。為此，ASML 表示，每個(gè) EUV 工具基本上都會(huì)成為其 ASP 每年 5-6% 的經(jīng)常性收入來(lái)源。

此外，未來(lái)將有更多晶圓（芯片中的層）使用 EUV 進(jìn)行曝光，因?yàn)槟壳爸挥惺畮讉€(gè)最關(guān)鍵的層使用 EUV 進(jìn)行曝光。（這就是英特爾“全面擁抱 EUV”的意思。）最后，DRAM 內(nèi)存行業(yè)有望在未來(lái)也采用 EUV。

基于客戶對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)不斷增長(zhǎng)的 EUV 需求，據(jù)預(yù)計(jì)，ASML今年將比去年增長(zhǎng)約 30%，相當(dāng)于 2021 年 EUV 系統(tǒng)收入約為 58 億歐元。

因此，盡管 EUV 交付量低于預(yù)期，但考慮到 ASP 的增長(zhǎng)，ASML 仍預(yù)計(jì) 2021 年 EUV 將增長(zhǎng) 30%。此外，鑒于成熟工藝晶圓廠的半導(dǎo)體短缺，ASML 現(xiàn)在也預(yù)計(jì)其非 EUV 業(yè)務(wù)需求強(qiáng)勁。例如，臺(tái)積電史無(wú)前例地宣布將擴(kuò)充28nm 晶圓廠產(chǎn)能。

到 2022 年，當(dāng)上述供應(yīng)問(wèn)題基本得到解決時(shí)，ASML 現(xiàn)在預(yù)計(jì)將出貨 55 個(gè) EUV 系統(tǒng)。盡管如此，ASML 表示，即便如此，它也可能會(huì)受到其供應(yīng)鏈的限制，因?yàn)樾枨罂赡軙?huì)超過(guò) 55 個(gè)系統(tǒng)的供應(yīng)。

EUV 路線圖，High-NA EUV是下一步

ASML 目前出貨 NXE:3300C 型號(hào)，售價(jià) 1.3 億美元，可達(dá)到 135WPH。但是，通過(guò)附加選項(xiàng)，ASP 增加到上面提到的約 1.45 億美元。

ASML 將在今年推出 NXE:3300D 型號(hào)，它能夠達(dá)到 160WPH，ASML 預(yù)計(jì) ASP 將增加 10% 以上，相比之下約為 1.45 億美元的水平。它將把 EUV 帶到 ASML 的公司毛利率。

NXE:3300E 型號(hào)將在 2023 年實(shí)現(xiàn)到來(lái)，該型號(hào)能夠達(dá)到 220WPH，這是生產(chǎn)力的另一項(xiàng)非常強(qiáng)勁的改進(jìn)。因此，這將是 ASP增加的另一個(gè)來(lái)源 （ASML 指出，盡管 E 型號(hào)的 COGS（銷售成本）較高，但毛利率仍會(huì)增加，因?yàn)樗c更昂貴的 》 3 億美元的“High NA EUV” EXE:5000 工具共享一些部件。）

盡管如此，正如 EXE:5000 工具所表明的那樣，EUV 并不是光刻縮放的最后選擇。多年來(lái)，ASML 一直致力于開(kāi)發(fā) EUV 之外的下一代工具。

如上所述，雖然與之前的 DUV 工具相比，EUV 的波長(zhǎng)顯著降低，但 EUV 的NA確實(shí)從 1.35 大幅下降到 0.35。（不談物理，破指數(shù)是光和光學(xué)領(lǐng)域的一種現(xiàn)象。）因此，幾年前ASML開(kāi)始研發(fā)下一代工具來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，稱為High NA EUV，參考到工具將具有的更高的 NA 數(shù)。此工具會(huì)將這個(gè)指標(biāo)增加到 0.55。好處是這進(jìn)一步提高了分辨率。

這將是一種更昂貴的工具，其成本超過(guò)一架飛機(jī)，預(yù)計(jì)成本超過(guò) 3 億美元。因此，即使在最初引入 EUV 之后，ASML 的長(zhǎng)期增長(zhǎng)前景仍然穩(wěn)固，因?yàn)樵谶壿嫼?DRAM 中越來(lái)越多的 EUV 采用、更高的 ASP 以及下一次升級(jí)到更昂貴的High NA EUV。

然而，最近在 1 月第四季度財(cái)報(bào)發(fā)布期間，一個(gè)警告變得清晰起來(lái)。看來(lái)High NA光刻已經(jīng)推遲了幾年。

此前，預(yù)計(jì)High NA 將在 2023 年推出。例如，英特爾一直在呼吁開(kāi)發(fā)High NA 生態(tài)系統(tǒng)以避免延誤。

因此，開(kāi)發(fā)High NA設(shè)備勢(shì)在必行?！霸诔掷m(xù)改進(jìn) 0.33 的同時(shí)，我們需要開(kāi)發(fā) 0.55，”英特爾研究員兼芯片巨頭的光刻硬件和解決方案總監(jiān)Mark Phillips在最近的一次演講中說(shuō)?！坝⑻貭枔碛袕?qiáng)大的工藝節(jié)點(diǎn)路線圖，需要持續(xù) EUV 光刻開(kāi)發(fā)的分辨率和 EPE（邊緣放置誤差）優(yōu)勢(shì)。需要High NA EUV 以避免 0.33 NA mask splits，消除mask splits的累積 EPE，減少工藝復(fù)雜性并降低成本。我們需要生態(tài)系統(tǒng)準(zhǔn)備好在 2023 年之前為其提供支持?！?/p>

在此次活動(dòng)中，Phillips對(duì)光刻師和掩模制造商發(fā)表講話，呼吁采取行動(dòng)，以保持High NA EUV 走上正軌，并解決技術(shù)差距，即掩模和抗蝕劑。High-NA 一直是 2023 年的目標(biāo)，但根據(jù)過(guò)去的事件，它有可能下滑。目前的 EUV 在投入生產(chǎn)之前已經(jīng)晚了幾年。

然而，ASML 宣布，它現(xiàn)在預(yù)計(jì)High NA 設(shè)備將在 2025 年或 2026 年（由其客戶）進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)，這意味著最多延遲三年。

我們正在與客戶就Hihg NA 量產(chǎn)的路線圖時(shí)間保持一致，目前估計(jì)在 2025-2026 年的時(shí)間范圍內(nèi)。

為滿足這一時(shí)間表，我們將于今年開(kāi)始集成模塊，并計(jì)劃在 2022 年擁有第一個(gè)合格系統(tǒng)。我們計(jì)劃在 2023 年在客戶現(xiàn)場(chǎng)首次安裝第一批系統(tǒng)，并計(jì)劃提供關(guān)于我們的 High-NA 的更詳細(xì)的更新今年投資者日期間的計(jì)劃。

因此，這對(duì)行業(yè)和 ASML 來(lái)說(shuō)都是一次挫折。對(duì)于業(yè)界來(lái)說(shuō)，這意味著要繼續(xù)縮小晶體管的尺寸，他們將不得不使用那些最初為“DUV 浸沒(méi)式光刻”而開(kāi)發(fā)的“多重圖案化”技術(shù)。雖然目前多重圖案在行業(yè)中已經(jīng)成熟，但它仍然是一種昂貴的技術(shù)。將此與昂貴的 EUV 工具相結(jié)合可能會(huì)給晶圓成本帶來(lái)壓力。

不過(guò)，對(duì)于 ASML 而言，多重 EUV 圖案實(shí)際上可能會(huì)進(jìn)一步增加對(duì)其當(dāng)前 EUV 工具的需求。因此，這實(shí)際上可能會(huì)部分抵消High NA EUV 延遲帶來(lái)的（假設(shè)）收入影響。

對(duì)于擁有多年視野的長(zhǎng)期投資者來(lái)說(shuō)，延遲應(yīng)該無(wú)關(guān)緊要，就像之前很久的 EUV 延遲目前不再重要一樣，因?yàn)?ASML（終于）從 EUV 獲得了數(shù)十億美元。

編輯：jq