Editor's Pick | EUV光刻機(jī)爭奪戰(zhàn)背后
2020-11-05 10:03:57
三星電子李在镕副會(huì)長于10月13日緊急訪問了荷蘭的半導(dǎo)體設(shè)備廠家——ASML，并與ASML的CEO Peter Wennink先生、CTO Martin van den Brink先生進(jìn)行了會(huì)談，且媒體《Business Korea》對此進(jìn)行了報(bào)道。ASML是全球唯一一家能夠提供尖端曝光設(shè)備（EUV）的廠家，半導(dǎo)體廠商能夠購買到的EUV設(shè)備數(shù)量是近期半導(dǎo)體微縮化競爭的焦點(diǎn)所在。
《Business Korea》在報(bào)道中指出，“雙方就EUV設(shè)備（能否利用7納米或者7納米以下尖端工藝生產(chǎn)出尖端半導(dǎo)體，EUV設(shè)備是關(guān)鍵所在）的供給計(jì)劃交換了意見”、雙方還就AI芯片等未來半導(dǎo)體的新技術(shù)研發(fā)方面的合作、新冠肺炎之后的市場預(yù)測半導(dǎo)體技術(shù)戰(zhàn)略進(jìn)行了會(huì)談”。
但是，筆者認(rèn)為李副會(huì)長拜訪ASML的目的不僅僅是交換意見、會(huì)談。那么，真正的目的是什么呢？筆者認(rèn)為有以下兩點(diǎn)：
1.希望ASML給三星電子提供更多的EUV設(shè)備。
2.希望ASML協(xié)助三星電子更加順利地使用已經(jīng)購買的EUV設(shè)備。
在采用了EUV的半導(dǎo)體微縮化方面，TSMC全球領(lǐng)先。作為存儲(chǔ)半導(dǎo)體的“冠軍”——三星電子計(jì)劃在2030年之前在邏輯半導(dǎo)體的生產(chǎn)方面趕上TSMC。但是，從目前的狀況來看，ASML無法按照計(jì)劃為三星提供EUV設(shè)備，此外，對于三星已經(jīng)引進(jìn)的EUV量產(chǎn)設(shè)備，似乎使用的也不是很順利。結(jié)果，導(dǎo)致三星電子與TSMC的差距愈來愈大。
因此，筆者預(yù)測，覺察到危機(jī)的三星電子的李副會(huì)長與ASML的高層會(huì)晤，就EUV的供給、已購入的EUV設(shè)備的使用，向ASML尋求幫助。
在本文中，筆者首先敘述一下當(dāng)下最尖端的半導(dǎo)體微縮化情況。其次，再說明ASML的EUV設(shè)備供給不足的情況。此外，再論述三星電子對EUV設(shè)備的使用熟練程度不及TSMC。另外，筆者再論述李副會(huì)長訪問ASML是否有效。最后，筆者指出，在EUV方面，三星電子的優(yōu)勢不及TSMC，即使李副會(huì)長訪問ASML,也很難挽回現(xiàn)狀。
尖端邏輯半導(dǎo)體的現(xiàn)狀
下圖1是邏輯半導(dǎo)體、Foundry微縮化加工技術(shù)的藍(lán)圖。圖中的○△×是筆者添加的，代表的意思如下：
○：其微縮化加工技術(shù)的R&D（研究、開發(fā)）已經(jīng)完成，且已經(jīng)開始量產(chǎn)，此外，預(yù)計(jì)量產(chǎn)會(huì)順利進(jìn)行。
△：其微縮化加工技術(shù)的R&D（研究、開發(fā)）在某種程度上完成了，但并沒有完全進(jìn)入量產(chǎn)。
×：其微縮化加工技術(shù)的R&D（研究、開發(fā)）并未完成，此外，雖然R&D的目標(biāo)明確，但仍未確立量產(chǎn)體制。
圖片出自：biz-journal
TSMC是全球微縮化加工技術(shù)最先進(jìn)的廠家，2019年量產(chǎn)了7nm+（將EUV技術(shù)應(yīng)用于孔中），且在2020年已經(jīng)開始量產(chǎn)將EUV應(yīng)用于排線層的5納米。此外，已經(jīng)完成3納米的研發(fā)，計(jì)劃在2021年開始風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)。同時(shí)，TSMC計(jì)劃在2024年實(shí)現(xiàn)2納米的量產(chǎn)，如今正在順利地為之選擇設(shè)備、材料。如此可以看出，新冠肺炎不僅沒有對TSMC的微縮化造成影響，反而促進(jìn)了TSMC的研發(fā)。
相比之下，三星電子的情況如何呢？三星電子在2019年7月2日公布說新款Galaxy Note上的處理器——Exynos 9825是用7納米（采用EUV）制造的。后來，2019年下半年公布6納米、今年公布5納米，僅從數(shù)字來看，三星電子絕不亞于TSMC。
筆者這么說的依據(jù)是三星電子的EUV技術(shù)不及TSMC成熟、良率也不及TSMC，因此很難說三星電子的EUV批量生產(chǎn)技術(shù)很順利。其證據(jù)是三星沒有成功獲得NVIDIA的7納米業(yè)務(wù)（其圖像處理器GPU席卷全球）。
綜上所述，我們可以得知三星電子和TSMC的技術(shù)差異，而技術(shù)差異產(chǎn)生的原因是什么呢？
TSMC做了什么籌備來實(shí)現(xiàn)EUV的量產(chǎn)呢？
要熟練使用新設(shè)備，需要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間。尤其是使用全球最尖端的設(shè)備——曝光設(shè)備進(jìn)行量產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)品，直到避免Bug的出現(xiàn)，需要花費(fèi)的時(shí)間極其漫長。
比方說，筆者記得，在九十年代初從事半導(dǎo)體技術(shù)員的時(shí)候，從水銀燈的i線曝光設(shè)備切換到KrF 量體（Excited Dimer）激光光源時(shí)，花費(fèi)了5年-6年的時(shí)間。也就是說要熟練使用新設(shè)備，這些時(shí)間是必須的。
圖片出自：biz-journal
此外，歷經(jīng)KrF、ArF干蝕、ArF液浸，2019年迎來了EUV。要熟練使用EUV設(shè)備，TSMC到底做了什么準(zhǔn)備呢？TSMC應(yīng)該沒有5年-6年的時(shí)間去為EUV的量產(chǎn)做準(zhǔn)備，那么，TSMC到底做了什么？
匯合多方信息，TSMC在2018年，在7-8臺(tái)EUV設(shè)備上每月投入了約6-8萬顆晶圓，邊處理Bug問題、邊進(jìn)行量產(chǎn)前的準(zhǔn)備。假設(shè)每月最大投入量為8萬個(gè)，TSMC每年在EUV設(shè)備上投入了約100萬顆晶圓，且全部報(bào)廢了。基于以上這些巨量的準(zhǔn)備工作，終于在2019年量產(chǎn)了7nm+工藝（僅在孔部位實(shí)施EUV），因此成功地將尖端工藝技術(shù)用在了華為的手機(jī)上。
三星電子的EUV情況
要量產(chǎn)使用EUV設(shè)備，需要花費(fèi)大批量的時(shí)間和晶圓，三星電子的情況如何呢？2018年三星電子旗下華城半導(dǎo)體工廠（三星的Foundry據(jù)點(diǎn)）引進(jìn)了八臺(tái)EUV設(shè)備。
但是，從Foundry的規(guī)模來看，用12英寸晶圓來換算，相對TSMC的月產(chǎn)120萬個(gè)（甚至更多）而言，三星電子月產(chǎn)僅有30萬個(gè)（雖然筆者不了解準(zhǔn)確數(shù)字）。此外，按照這種規(guī)模來計(jì)算，如果突然要量產(chǎn)使用EUV設(shè)備，很有可能導(dǎo)致邏輯半導(dǎo)體全軍覆滅。
此外，多位相關(guān)人士表示，三星電子為了量產(chǎn)使用EUV設(shè)備，已經(jīng)挪用了多個(gè)DRAM的量產(chǎn)工廠。三星電子擁有月產(chǎn)能約為50萬個(gè)的大型DRAM工廠。其中，將月產(chǎn)3000個(gè)-1萬個(gè)（最大）的工廠暫時(shí)用來EUV的“量產(chǎn)練習(xí)”。
有多家媒體報(bào)道指出，三星電子已經(jīng)將EUV應(yīng)用于最尖端的DRAM生產(chǎn)，三星電子本身也在2020年5月20日的新聞中公布說，“用EUV生產(chǎn)的第四代10納米級(jí)別的DRAM的出貨數(shù)量達(dá)到了100萬個(gè)”。
但是，我們不能完全相信！如今，一個(gè)12英寸晶圓可以同時(shí)生產(chǎn)出約1500個(gè)DRAM。因此，晶圓數(shù)量為：100萬個(gè)DRAM/1500=667個(gè)，假設(shè)良率為80%，晶圓數(shù)量為：100萬個(gè)DRAM/（1500*80%）=833個(gè)。也就是說，100萬個(gè)DRAM是在月產(chǎn)為50萬的大型DRAM產(chǎn)線上、以不足1000個(gè)的規(guī)模生產(chǎn)出來的。因此，三星電子提出的“已經(jīng)生產(chǎn)了采用EUV技術(shù)的DRAM”雖然沒有錯(cuò)，但從業(yè)界常識(shí)來看，很難得出“將EUV應(yīng)用在了DRAM的量產(chǎn)上”這一結(jié)論。
這種情況，筆者認(rèn)為“三星電子希望將EUV應(yīng)用于邏輯半導(dǎo)體，但無法確保實(shí)驗(yàn)場所，于是暫時(shí)借用了大型的DRAM的產(chǎn)線，很偶然做出了100萬個(gè)DRAM”。與TSMC相比，差距還很遠(yuǎn)。
EUV設(shè)備數(shù)量差距持續(xù)拉大
如上所述，在使用EUV的熟練程度上，三星電子與TSMC有很大的差距。然而，三星電子卻提出了要在2030年之前在Foundry方面趕上TSMC的目標(biāo)，且在為之努力。因此，三星在存儲(chǔ)半導(dǎo)體的生產(chǎn)據(jù)點(diǎn)——平澤建設(shè)了EUV專用廠房（不是在Foundry的據(jù)點(diǎn)——華成），據(jù)說三星電子的目標(biāo)是在2025年之前引進(jìn)約100臺(tái)EUV設(shè)備。
然而，三星電子的這一計(jì)劃卻“觸礁” 了。理由是ASML的EUV設(shè)備產(chǎn)能完全趕不上半導(dǎo)體廠家的訂單數(shù)量。（如下圖3）
全球唯一的EUV設(shè)備生產(chǎn)商——ASML在2015年出貨了6臺(tái)、2017年10臺(tái)，2018年18臺(tái)，2019年26臺(tái)，預(yù)計(jì)2020年出貨36臺(tái)。然而，Open PO數(shù)量在不斷增長，在2020年的第二季度已經(jīng)達(dá)到了56臺(tái)。
筆者認(rèn)為，在ASML 2020年出貨的36臺(tái)設(shè)備中大部分都是出給TSMC的。如果三星電子也購買了EUV設(shè)備，最多也就是1-2臺(tái)（如下圖4）。可以推測，在2020年年末各家廠家持有的EUV設(shè)備數(shù)量如下，TSMC為61臺(tái)，三星電子最多為10臺(tái)左右。
圖片出自：biz-journal
后續(xù)TSMC每年會(huì)引進(jìn)約20-30臺(tái)EUV設(shè)備，預(yù)計(jì)在2025年末會(huì)擁有約185臺(tái)EUV設(shè)備（甚至更多）（注），另一方面，三星電子的目標(biāo)是在2025年末擁有約100臺(tái)EUV設(shè)備，從ASML的生產(chǎn)產(chǎn)能來看，相當(dāng)困難。
（注）:本稿發(fā)行后，筆者又進(jìn)行了調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2025年年末時(shí)間點(diǎn)，TSMC所持有的EUV曝光設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于185臺(tái)。
未來的展望
如上所述，三星電子無法熟練操作使用EUV設(shè)備、且照此發(fā)展下去，很難確保其引進(jìn)的設(shè)備數(shù)量。如果三星電子維持現(xiàn)狀，那么與TSMC的差距將會(huì)越來越大。為了打破這一危機(jī)情況，如文章開頭的《Business Korea》所述，三星電子的真正Top——李副會(huì)長與ASML的CEO&CTO進(jìn)行了直接會(huì)談。其會(huì)談內(nèi)容應(yīng)該是“希望給三星電子提供更多的EUV設(shè)備”、“請協(xié)助三星電子熟練使用已經(jīng)引進(jìn)的EUV量產(chǎn)設(shè)備”。
但是，對于ASML而言，其重要客戶是TSMC。在2018年一整年，TSMC花費(fèi)一年的時(shí)間、投入100萬個(gè)晶圓，不斷試錯(cuò)，并反饋給ASML，并進(jìn)行改善、改良，才使7nm+、5nm得以量產(chǎn)。未來還要量產(chǎn)3納米、2納米。蘋果、AMD、高通、NVIDIA（未來也許還有英特爾）都在依賴著TSMC的尖端工藝。ASML的EUV設(shè)備肯定適用于尖端工藝、且會(huì)繼續(xù)進(jìn)步和發(fā)展。
雖然三星電子的高層突然訪問ASML，ASML也不會(huì)忽視TSMC而“親近”三星電子。但是，這世界在何時(shí)、發(fā)生何事，也都不好預(yù)測。未來我們將繼續(xù)關(guān)注TSMC、三星電子、ASML的動(dòng)向！
