三星台积电EUV光刻机之战推演:榨干ASML未来5年产能

2020/12/27 15:37:30 来源:芯东西 作者:汤之上隆 责编:远洋

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。

三星台积电EUV光刻机之战推演:榨干ASML未来5年产能!

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。

▲2007 年 2 月在国际光刻技术会议 SPIE 上(来源:引用自 Anthony Yen,ASML,“ EUV 光刻及其在逻辑和存储设备中的应用”,VLSI 2020)

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。

▲ASML 的 EUV 光刻设备出货量和积压需求(来源:WikiChip、ASML 财务报告和一些作者的预测)

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?

一、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。

▲半导体制造商拥有的 EUV 光刻机累计数量(来源:每个公司的计划和作者预测)

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。

▲台积电微缩化状况(2020-Q3)(来源:作者根据台积电的财务报告创建)

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。

▲台积电先进工艺的无晶圆厂之战

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?

二、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。

5、EUV 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。

▲估算所需的台积电 EUV 数量

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 - 2025 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、三星晶圆厂 EUV 现状

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%。

▲2020 年晶圆代工市场份额预测(来源:TrendForce)

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”。

四、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。

▲三星代工 2030 年目标资料(来源:三星代工业务高级副总裁 Shawn Han,“三星基金会成长战略”,摘录自 2020 年 11 月 30 日的投资者公告)

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。)。

▲三星的先进逻辑晶圆代工生产什么

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。

五、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。

六、台积电和三星 EUV 引进计划

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。

▲台积电和三星拥有的 EUV 光刻机数量预测(来源:每个公司的计划和作者的预测)

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。

七、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。

▲ASML EUV 扩增 Cabin 计划的来历资料(来源:为投资资本家发布基础摘取自 ASML 简介材料 “ EUV 行动及其商业服务台”,2016 年 10 月 31 日)

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。

▲ASML EUV 生产预测

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。

八、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。

▲ASML 的 2020 EUV 设备需求和引进预测(来源:摘自 ASML 的投资者简报材料 “业务模型和资本分配策略”,2018 年 11 月 8 日)

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。

▲ASML 的 2025 年 EUV 需求和引进预测(来源:摘自 ASML 的投资者简介材料 “业务模型和资本分配策略”,2018 年 11 月 8 日)

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。

▲迈向 1nm 制程的半导体路线图(来源:imec)

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。

来源:EE Times Japan

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关键词:三星台积电光刻机

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