三星台积电EUV光刻机之战推演榨干ASML未来5年产能

　　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。
　　2007年2月在国际光刻技术会议SPIE上（来源：引用自AnthonyYen，ASML，EUV光刻及其在逻辑和存储设备中的应用，VLSI2020）
　　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（2020Q3）（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2020VLSI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170190K（K1000）；
　　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8090个小时，包括停机时间在内的平均开工率为7090，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78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Vision2030，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ShawnHan，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PeterWennink和首席技术官MartinvandenBrink：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Vision2030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PeterWennink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（highNA，NA0。55）EUV设备的合作。
　　基于HighNA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NA0。33EUV的23倍。三星计划在2023年中期推出HighNA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HighNA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HighNA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、ASMLEUV生产计划
　　下图是ASML在2016年10月31日InvestorDay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。
　　ASMLEUV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。
　　ASMLEUV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7080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（CarlZeiss）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InvestorDay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2020EUV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，highNA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InvestorDay，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HighNA，可能会在2nm之后恢复。
　　在逻辑半导体方面，imec的MyungHeeNa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。