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三星台积电EUV光刻机之战推演:榨干ASML未来5年产能!

发布人:芯东西时间:2020-12-14来源:工程师
编者注:本文作者汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长,曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作,2000年获得京都大学工学博士学位,之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作,曾撰写《日本“半导体”的失败》、《“电机、半导体”溃败的教训》、《失去的制造业:日本制造业的败北》等著作。本文是汤之上隆先生近日发表于eetimes.jp上的一篇长文。

全文如下:最先进的EUV(极紫外线)光刻机始于1997年,其全面开发在20多年后的2018年第三季度。随后,台积电在2019年将EUV应用于7nm+工艺量产,2020年5nm的量产同样采用了EUV技术。汤之上隆在2007年第一次参加国际光刻技术博览会(SPIE)时,有一个演示文稿展示了开发EUV何其困难,如下图所示。



在银河系的最右端是太阳系,这里有人类赖以生存的地球。然而,EUV量产机与太阳系距离10万光年,相距如此遥远,仿佛人类一生都无法触达它们。十三年前,开发EUV非常困难。好在人类的智慧很美妙,来自世界各地的光刻技术研究者将智慧聚集起来,致力于解决每一个课题。结果在2013年左右,EUV光源输出这一大难题得以改善,有关人员称“EUV正接近太阳系”;2016年,EUV“跳入地球大气层”,被期待已久的研发设备由荷兰ASML公司推出。目前ASML是唯一可以提供EUV光刻机的供应商,其出货量稳步增长,2016年出货5台、2017年出货10台、2018年出货18台、2019年出货26台,汤之上隆预计,到2020年ASML将出货36台EUV光刻机。



然而,ASML似乎无法满足先进半导体制造商的订单数量,订单持续积压,到2020年第二季度,其积压需求数量似乎达到了56台。那么为什么会如此缺货呢?

台积电与三星的EUV之战


台积电和三星电子(以下简称三星)是仅有的两家使用EUV技术推进7nm及更小制程研发的半导体制造商。由于这两家公司的订单数量巨大,因此认为积压的EUV光刻机订单正在增加。关于这两家公司,作者曾在《三星董事长去世、令人惊讶的半导体业界“三伟人”的意外共通点》一文写道,台积电自2021年依赖每年都需求30台EUV光刻机,但这被低估了。三星副董事长李在镕于2020年10月13日访问ASML,并要求ASML在2020年交付9台EUV光刻机、在2021年后每年交付20台EUV光刻机。



作者认为鉴于ASML的生产能力,这是不可能的,但他此前的预测很可能是错误的。因此,在本文中,汤之上隆将解释台积电每年需要多少EUV光刻机及原因,以及三星旨在2020年赶上台积电的EUV实施策略,还将讨论ASML能否满足台积电和三星的需求。首先陈述下结论,虽然对于台积电和三星来说,这不是一个完整的答案,但ASML预计它将交付接近于这个数量的EUV光刻设备,助力这两家公司继续推动3nm及更小制程的演进。下图显示了按技术节点划分的台积电季度出货量百分比。2020年第三季度,其5nm占比为8%、7nm占比为35%,5nm和7nm共占43%。由于其5nm的比例预计在未来会迅速增加,因此估计2021年5nm和7nm的总和将占台积电总出货量的大多数。



在7nm处,未采用EUV的N7工艺和采用EUV的N7+工艺混合在一起,比例未知。采用EUV的5nm和N7+的出货价值正以比预期更快的速度迅速增长。围绕台积电最先进工艺的无晶圆厂(Fabless)产能争夺战如图所示。头部是苹果,高通、NVIDIA、AMD、赛灵思、博通、联发科、谷歌、亚马逊等挤在一起,英特尔很可能会加入其中。



自2020年9月15日起,由于美国商务部加强出口限制,台积电不能向中国华为公司供货半导体产品,而华为约占台积电总产值的15%。不过这对台积电几乎没有影响,反而其最先进工艺的能力将来可能会不足。特别是,台积电的最新工艺严重依赖EUV设备,如果无法确保足够的数量,则将难以承担更多的无晶圆厂生产委托。那么2021年后,台积电需要多少台EUV光刻机?
台积电需要多少台EUV光刻机?


关于台积电的微缩化和大规模生产,据了解,台积电采用EUV技术的N7+工艺从2019年开始量产,5nm工艺在2020年量产,3nm设备和材料选择完成后将在2021年风险生产、在2022年量产,2nm设备和材料计划在2024年开始量产。目前尚不清楚N7+的当前月产能,5nm、3nm和2nm的最终月产能以及这些技术节点的EUV层数。另外,尚不确切知道批量生产现场的EUV吞吐量(每小时处理的晶圆数量)和开工率。在此,为了计算台积电所需的EUV数量,请参阅2020 VLSI研讨会上的ASML和imec公告,作者将试图假设如下。1在大规模批量生产期间,每个制程节点的月生产能力设置为170-190K(K = 1000);2、为启动制程节点,决定在三个阶段引入所需数量的EUV设备:试产、风险生产和大规模量产;3大规模量产将分为第一阶段和第二阶段两个阶段进行;4关于EUV层数,N7+对应5层,5nm达15层,3nm达32层,2nm达45层。5EUV的平均产量为80-90个/小时,包括停机时间在内的平均开工率为70-90%,每一项的点点滴滴都会逐步改善。基于上述假设,从2020年-2023年,台积电一年内(想要)引入的EUV光刻机数量如下图所示。



首先,到2020年,当5nm大规模生产及3nm试产启动时,据计算将需要35台新EUV光刻机,计算结果与图3中的实际值几乎相同。到2021年,5nm生产规模将扩大,3nm风险生产将启动,经计算所需的新EUV光刻机数量达54台;到2022年,当3nm大规模生产、2nm试产启动,需要的新EUV光刻机数量被计算为57台。此外,到2023年,当3nm生产规模扩大、2nm开始风险生产时,所需新EUV光刻机数达到58台。到2024年2nm大规模生产启动及2025年生产规模扩大时,所需新EUV光刻机数被计算为62台。根据该假设得出的结论(可能是非常不确定的)是,台积电在2021年-2015年的五年内总共需要292台EUV光刻机,每年平均需新增58台。如果自2021年以后,台积电每年平台需要不到60台EUV光刻机,ASML是否能够满足这一需求?

三星的晶圆代工业务目前不及台积电。根据TrendForce在10月5日发布的晶圆代工市场份额预测,台积电约占55%,三星约占16%。



此外,三星12英寸晶圆的月产能估计约为20万个,而台积电月产能超过120万个。尽管三星宣布它已采用EUV成功量产7nm和5nm,但生产规模尚不清楚,是否真正大规模生产也令人怀疑。听说台积电经过培训后,在2018年内每月在7-8台EUV设备上投入6万-8万个晶圆。假设每月最大数量为8万,则12个月内将有96万个晶圆被曝光。基于这些巨量的准备和试错工作,台积电终于在2019年成功将EUV用于N7+量产。另一方面,三星如何训练EUV?根据多方信息,三星正通过租用一条月产量约50万个的大型DRAM生产线,将月产最大不超过1万个的工厂暂时用于做EUV的量产“练习”。实际上,有许多报道称,三星正在将EUV应用到最先进的DRAM生产,三星本身也在2020年5月20日的新闻稿中表示:“用EUV生产的第四代10nm级DRAM已出货100万个。”但是,我们不能真正接受这一点。目前,一个12英寸晶圆上可同时生产约1500个DRAM,因此晶圆数量为100万个÷1500个/片=667片。假设产率为80%,则晶圆片数为100万÷(1500个/片×80%)= 833片。换句话说,100万个DRAM是在一条月产50万的大型DRAM生产线上、以不到1000个的规模生产出来的。因此,说三星“出货了用EUV制造的DRAM”没有错,但根据业界的常识,不能说“将EUV应用于DRAM的批量生产”。
三星的晶圆代工战略


三星在2019年宣布了“Vision 2030”,计划到2030年投入了133万亿韩元(约合近8000亿人民币)的巨额资金,聘请15000名硕士、博士等专业人才,设定了超越台积电成为晶圆代工领导者的目标。



此外,如前所述,三星公司副董事长李在镕于2020年10月13日访问了ASML,并告诉ASML首席执行官Peter Wennink和首席技术官Martin van den Brink:“我们希望在2020年底之前引入9台EUV,在2021年之后每年引入20台EUV。”但无论投入多少钱,汤之上隆认为ASML承接台积电的订单已经满载,因此无法将EUV设备交付给三星。如下图所示,三星晶圆代工厂生产的最先进的逻辑半导体,只能发现其智能手机Galaxy系列的应用处理器和IBM超级计算机的芯片。NVIDIA和高通已将生产承包商更改为台积电,可能是因为三星使用EUV批量生产的7nm和5nm良率不佳(但由于折扣很大,高通分单给了三星。)。



这样,三星与台积电在EUV光刻设备的数量和成熟度、晶圆代工厂份额方面的差距不断扩大,投资133万亿韩元、聘用15000人的“Vision 2030”计划或将失败。就在汤之上隆这么想时,事态又突然发生了变化。
ASML首席执行官访问三星


2020年12月1日的《韩国商业报》报道说,ASML首席执行官Peter Wennink等高管于11月底访问了三星。在访问期间的会议上,三星要求提供更多的EUV光刻机,并讨论了关于下一代高数值孔径(high-NA,NA=0.55)EUV设备的合作。基于High-NA的下一代EUV设备每台价格预计为5000亿韩元(接近30亿人民币),是NA=0.33 EUV的2-3倍。三星计划在2023年中期推出High-NA原型EUV,这是三星与台积电竞争的策略,三星希望抢在台积电前有限获得High-NA光刻机。此外,根据专家提供的信息,三星副董事长李在镕在10月13日访问ASML期间要求的“2020年9台EUV光刻机”中,至少有4台将在2020年抵达三星,其余5台预计将在2021年初被引入。此外。2021年后,尚不清楚是否会落实“每年20台EUV设备”,但似乎将会引入类似数量的EUV光刻机。

综上所述,经计算,台积电到2020年底已获得61台EUV,2021年后的五年间平均每年需引入58台EUV光刻机。同时,三星似乎从2020年底到2021年初已获得9台EUV光刻机,并要求此后每年引入20台。因此,估算到2021年后,台积电和三星将总共每年需要约80台EUV光刻机。根据三星的要求,如果按照作者的计算为台积电引入EUV,那么将如下图所示,到2025年底,三星将拥有119台EUV光刻机,台积电将拥有353台。此外三星可能早于台积电安装多个High-NA原型设备。



问题在于,ASML是否每年可以生产和供应约80台EUV光刻机。下面,文章将根据ASML过去向投资者公开的材料,来讨论这种可能性。

ASML EUV生产计划


下图是ASML在2016年10月31日“Investor Day”期间向投资者们展示的信息。EUV光刻机在ASML称之为Cabin的洁净室中生产。由于一个Cabin生产一台EUV光刻机,因此增加Cabin的数量才能批量生产EUV光刻机。



从上图可见,ASML在2014年有15个Cabin,2015年增加了10个Cabin至25个Cabin。之后可以看出,该计划是根据需要来增加Cabin的数量,另据专家的信息,ASML到2020年将拥有35个Cabin。 下一个问题是,在一个Cabin中组装一台EUV,需要花费几个月的时间?截至2016年,生产一台EUV将花费超过12个月的时间。这是因为ASML在2016年仅交付了5台EUV光刻机,在2017年交付了10台,在2018年交付了18台。ASML在2019年出货了26台EUV光刻机,但可以估计25个Cabin中的每个Cabin在一年内生产了一台EUV。如果按35个Cabin中每个Cabin在一年内生产一台EUV来算,ASML在2020年可以交付36台EUV光刻机。



那么,ASML能做什么来满足2021年以后台积电、三星总共70-80台EUV光刻机的需求?突然将Cabin数量从35个增至80个是不可能的,那么别无选择,只能缩短一台EUV光刻机的组装时间。直到2019,生产一台EUV光刻机似乎花了12个月的时间。但到2020年,在三星副董事长访问后,EUV光刻机出货量又增加4台,因此将总共出货40台。换句话说,每台EUV光刻机的组装时间从12个月缩短至10个月。如果35个Cabin的建设期为10个月,则可以生产42台EUV光刻机;如果建设期为8个月,则可以生产52台;如果建设期为6个月,则可以生产70台。对缩短施工时间影响最大的部分,是卡尔·蔡司(Carl Zeiss)生产的用于EUV的光学镜头。根据有关人士的信息,卡尔·蔡司镜的生产效率正在逐步提高,EUV生产的建设周期似乎正在缩短。也就是,每年交付70台EUV光刻机,似乎并非不可能实现的事。

ASML的预测


在2018年11月8日“Investor Day”期间,ASML向投资者展示了2020年的EUV需求和预测,包括高需求和低需求两种类型的预测,而实际情况接近高需求。



根据ASML的高需求预测,对EUV光刻机的需求量为35台,而引进量为33台。与之对照,2020年共交付了40台EUV光刻机。简而言之,实际需求超出了ASML预测的高需求。此外,ASML用上述材料预测了2025年EUV的需求和引入。在高需求下,high-NA预计为9台+55台,也就是说预计将总共有64台EUV光刻机的需求。



实际上,自2021年以来,台积电和三星的总需求量约为80台EUV光刻机。而ASML早在两年前就预测了64台的需求量,因此对于ASML,是可能满足超出预期的需求的。由于2019年和2020年没有“Investor Day”,因此目前尚不清楚ASML如何在过去两年中调整其对EUV需求和采用量的预测。不过,为响应自2018年以来向上修订的需求,ASML将计划缩短EUV设备的打造时间并增加Cabin数量。

结语:逻辑半导体缩放将继续


综上所述,尽管台积电和三星对大约80台EUV光刻机的需求量不会立即得到完全响应,但预计ASML在未来几年内将交付类似数量的EUV光刻机。随着EUV光刻机数量增长,3nm和2nm将走向批量生产。关于台积电和三星的微缩化竞争,看来台积电将在EUV成熟度和3nm的大规模生产方面处于领先地位。但三星计划尽快推出High-NA,可能会在2nm之后恢复。在逻辑半导体方面,imec的Myung Hee Na在IEDM2020上宣布了直至1nm的半导体路线图。



根据该路线图,逻辑半导体制程将发展向2nm、1.4nm、1nm乃至0.7nm,摩尔定律仍然存在。台积电和三星在2nm之后的微缩化竞争中将占据主导地位?还是会出现黑马?我们将继续关注EUV和使用该技术的微缩化。


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