芯東西（公眾號：aichip001）作者 | 湯之上隆編譯 | Panken
編者註：本文作者湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本製造業的生產第一線從事半導體研發工作，2000年獲得京都大學工學博士學位，之後一直從事和半導體行業有關的教學、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》、《失去的製造業：日本製造業的敗北》等著作。本文是湯之上隆先生近日發表於eetimes.jp上的一篇長文。
全文如下：
最先進的EUV（極紫外線）光刻機始於1997年，其全面開發在20多年後的2018年第三季度。隨後，臺積電在2019年將EUV應用於7nm+工藝量產，2020年5nm的量產同樣採用了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，這裡有人類賴以生存的地球。然而，EUV量產機與太陽系距離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，致力於解決每一個課題。結果在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」，被期待已久的研發設備由荷蘭ASML公司推出。
目前ASML是唯一可以提供EUV光刻機的供應商，其出貨量穩步增長，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光刻機。
▲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製造商的訂單數量，訂單持續積壓，到2020年第二季度，其積壓需求數量似乎達到了56臺。
那麼為什麼會如此缺貨呢？
一、臺積電與三星的EUV之戰
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及更小製程研發的半導體製造商。由於這兩家公司的訂單數量巨大，因此認為積壓的EUV光刻機訂單正在增加。
關於這兩家公司，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光刻機，但這被低估了。三星副董事長李在鎔於2020年10月13日訪問ASML，並要求ASML在2020年交付9臺EUV光刻機、在2021年後每年交付20臺EUV光刻機。
▲半導體製造商擁有的EUV光刻機累計數量（來源：每個公司的計劃和作者預測）
作者認為鑑於ASML的生產能力，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光刻機及原因，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。
首先陳述下結論，雖然對於臺積電和三星來說，這不是一個完整的答案，但ASML預計它將交付接近於這個數量的EUV光刻設備，助力這兩家公司繼續推動3nm及更小製程的演進。
下圖顯示了按技術節點劃分的臺積電季度出貨量百分比。2020年第三季度，其5nm佔比為8％、7nm佔比為35％，5nm和7nm共佔43％。由於其5nm的比例預計在未來會迅速增加，因此估計2021年5nm和7nm的總和將佔臺積電總出貨量的大多數。
▲臺積電微縮化狀況（2020-Q3）（來源：作者根據臺積電的財務報告創建）
在7nm處，未採用EUV的N7工藝和採用EUV的N7+工藝混合在一起，比例未知。採用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）產能爭奪戰如圖所示。頭部是蘋果，高通、NVIDIA、AMD、賽靈思、博通、聯發科、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
自2020年9月15日起，由於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品，而華為約佔臺積電總產值的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量，則將難以承擔更多的無晶圓廠生產委託。
那麼2021年後，臺積電需要多少臺EUV光刻機？
二、臺積電需要多少臺EUV光刻機？
關於臺積電的微縮化和大規模生產，據了解，臺積電採用EUV技術的N7+工藝從2019年開始量產，5nm工藝在2020年量產，3nm設備和材料選擇完成後將在2021年風險生產、在2022年量產，2nm設備和材料計劃在2024年開始量產。
目前尚不清楚N7+的當前月產能，5nm、3nm和2nm的最終月產能以及這些技術節點的EUV層數。另外，尚不確切知道批量生產現場的EUV吞吐量（每小時處理的晶圓數量）和開工率。
在此，為了計算臺積電所需的EUV數量，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、在大規模批量生產期間，每個製程節點的月生產能力設置為170-190K（K = 1000）；
2、為啟動製程節點，決定在三個階段引入所需數量的EUV設備：試產、風險生產和大規模量產；
3、大規模量產將分為第一階段和第二階段兩個階段進行；
4、關於EUV層數，N7+對應5層，5nm達15層，3nm達32層，2nm達45層。
5、EUV的平均產量為80-90個/小時，包括停機時間在內的平均開工率為70-90％，每一項的點點滴滴都會逐步改善。
基於上述假設，從2020年-2023年，臺積電一年內（想要）引入的EUV光刻機數量如下圖所示。
▲估算所需的臺積電EUV數量
首先，到2020年，當5nm大規模生產及3nm試產啟動時，據計算將需要35臺新EUV光刻機，計算結果與圖3中的實際值幾乎相同。
到2021年，5nm生產規模將擴大，3nm風險生產將啟動，經計算所需的新EUV光刻機數量達54臺；到2022年，當3nm大規模生產、2nm試產啟動，需要的新EUV光刻機數量被計算為57臺。
此外，到2023年，當3nm生產規模擴大、2nm開始風險生產時，所需新EUV光刻機數達到58臺。到2024年2nm大規模生產啟動及2025年生產規模擴大時，所需新EUV光刻機數被計算為62臺。
根據該假設得出的結論（可能是非常不確定的）是，臺積電在2021年-2015年的五年內總共需要292臺EUV光刻機，每年平均需新增58臺。
如果自2021年以後，臺積電每年平臺需要不到60臺EUV光刻機，ASML是否能夠滿足這一需求？
三、三星晶圓廠EUV現狀
三星的晶圓代工業務目前不及臺積電。根據TrendForce在10月5日發布的晶圓代工市場份額預測，臺積電約佔55％，三星約佔16％。
▲2020年晶圓代工市場份額預測（來源：TrendForce）
此外，三星12英寸晶圓的月產能估計約為20萬個，而臺積電月產能超過120萬個。儘管三星宣布它已採用EUV成功量產7nm和5nm，但生產規模尚不清楚，是否真正大規模生產也令人懷疑。
聽說臺積電經過培訓後，在2018年內每月在7-8臺EUV設備上投入6萬-8萬個晶圓。假設每月最大數量為8萬，則12個月內將有96萬個晶圓被曝光。基於這些巨量的準備和試錯工作，臺積電終於在2019年成功將EUV用於N7+量產。
另一方面，三星如何訓練EUV？
根據多方信息，三星正通過租用一條月產量約50萬個的大型DRAM生產線，將月產最大不超過1萬個的工廠暫時用於做EUV的量產「練習」。
實際上，有許多報導稱，三星正在將EUV應用到最先進的DRAM生產，三星本身也在2020年5月20日的新聞稿中表示：「用EUV生產的第四代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約1500個DRAM，因此晶圓數量為100萬個÷1500個/片=667片。假設產率為80％，則晶圓片數為100萬÷(1500個/片×80％)= 833片。換句話說，100萬個DRAM是在一條月產50萬的大型DRAM生產線上、以不到1000個的規模生產出來的。
因此，說三星「出貨了用EUV製造的DRAM」沒有錯，但根據業界的常識，不能說「將EUV應用於DRAM的批量生產」。
四、三星的晶圓代工戰略
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：三星代工業務高級副總裁Shawn Han，「三星基金會成長戰略」，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鎔於2020年10月13日訪問了ASML，並告訴ASML執行長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年之後每年引入20臺EUV。」
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的最先進的邏輯半導體，只能發現其智慧型手機Galaxy系列的應用處理器和IBM超級計算機的晶片。NVIDIA和高通已將生產承包商更改為臺積電，可能是因為三星使用EUV批量生產的7nm和5nm良率不佳（但由於折扣很大，高通分單給了三星。）。
▲三星的先進邏輯晶圓代工生產什麼
這樣，三星與臺積電在EUV光刻設備的數量和成熟度、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」計劃或將失敗。就在湯之上隆這麼想時，事態又突然發生了變化。
五、ASML執行長訪問三星
2020年12月1日的《韓國商業報》報導說，ASML執行長Peter Wennink等高管於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光刻機，並討論了關於下一代高數值孔徑（high-NA，NA=0.55）EUV設備的合作。
基於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光刻機。
此外，根據專家提供的信息，三星副董事長李在鎔在10月13日訪問ASML期間要求的「2020年9臺EUV光刻機」中，至少有4臺將在2020年抵達三星，其餘5臺預計將在2021年初被引入。此外。2021年後，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量的EUV光刻機。
六、臺積電和三星EUV引進計劃
綜上所述，經計算，臺積電到2020年底已獲得61臺EUV，2021年後的五年間平均每年需引入58臺EUV光刻機。同時，三星似乎從2020年底到2021年初已獲得9臺EUV光刻機，並要求此後每年引入20臺。因此，估算到2021年後，臺積電和三星將總共每年需要約80臺EUV光刻機。
根據三星的要求，如果按照作者的計算為臺積電引入EUV，那麼將如下圖所示，到2025年底，三星將擁有119臺EUV光刻機，臺積電將擁有353臺。此外三星可能早於臺積電安裝多個High-NA原型設備。
▲臺積電和三星擁有的EUV光刻機數量預測（來源：每個公司的計劃和作者的預測）
問題在於，ASML是否每年可以生產和供應約80臺EUV光刻機。下面，文章將根據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光刻機在ASML稱之為Cabin的潔淨室中生產。
由於一個Cabin生產一臺EUV光刻機，因此增加Cabin的數量才能批量生產EUV光刻機。
▲ASML EUV擴增Cabin計劃的來歷資料（來源：為投資資本家發布基礎摘取自ASML簡介材料「 EUV行動及其商業服務臺」，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。之後可以看出，該計劃是根據需要來增加Cabin的數量，另據專家的信息，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光刻機，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光刻機，但可以估計25個Cabin中的每個Cabin在一年內生產了一臺EUV。如果按35個Cabin中每個Cabin在一年內生產一臺EUV來算，ASML在2020年可以交付36臺EUV光刻機。
▲ASML EUV生產預測
那麼，ASML能做什麼來滿足2021年以後臺積電、三星總共70-80臺EUV光刻機的需求？
突然將Cabin數量從35個增至80個是不可能的，那麼別無選擇，只能縮短一臺EUV光刻機的組裝時間。
直到2019，生產一臺EUV光刻機似乎花了12個月的時間。但到2020年，在三星副董事長訪問後，EUV光刻機出貨量又增加4臺，因此將總共出貨40臺。換句話說，每臺EUV光刻機的組裝時間從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42臺EUV光刻機；如果建設期為8個月，則可以生產52臺；如果建設期為6個月，則可以生產70臺。
對縮短施工時間影響最大的部分，是卡爾·蔡司（Carl Zeiss）生產的用於EUV的光學鏡頭。根據有關人士的信息，卡爾·蔡司鏡的生產效率正在逐步提高，EUV生產的建設周期似乎正在縮短。
也就是，每年交付70臺EUV光刻機，似乎並非不可能實現的事。
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「業務模型和資本分配策略」，2018年11月8日）
根據ASML的高需求預測，對EUV光刻機的需求量為35臺，而引進量為33臺。與之對照，2020年共交付了40臺EUV光刻機。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光刻機的需求。
▲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光刻機。而ASML早在兩年前就預測了64臺的需求量，因此對於ASML，是可能滿足超出預期的需求的。
由於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整其對EUV需求和採用量的預測。不過，為響應自2018年以來向上修訂的需求，ASML將計劃縮短EUV設備的打造時間並增加Cabin數量。
結語：邏輯半導體縮放將繼續
綜上所述，儘管臺積電和三星對大約80臺EUV光刻機的需求量不會立即得到完全響應，但預計ASML在未來幾年內將交付類似數量的EUV光刻機。隨著EUV光刻機數量增長，3nm和2nm將走向批量生產。
關於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的大規模生產方面處於領先地位。但三星計劃儘快推出High-NA，可能會在2nm之後恢復。
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製程的半導體路線圖（來源：imec）
根據該路線圖，邏輯半導體製程將發展向2nm、1.4nm、1nm乃至0.7nm，摩爾定律仍然存在。
臺積電和三星在2nm之後的微縮化競爭中將佔據主導地位？還是會出現黑馬？我們將繼續關注EUV和使用該技術的微縮化。
來源：EE Times Japan