Editor's Pick | EUV光刻機爭奪戰背后
2020-11-05 10:03:57
三星電子李在镕副會長于10月13日緊急訪問了荷蘭的半導體設備廠家——ASML，并與ASML的CEO Peter Wennink先生、CTO Martin van den Brink先生進行了會談，且媒體《Business Korea》對此進行了報道。ASML是全球唯一一家能夠提供尖端曝光設備（EUV）的廠家，半導體廠商能夠購買到的EUV設備數量是近期半導體微縮化競爭的焦點所在。
《Business Korea》在報道中指出，“雙方就EUV設備（能否利用7納米或者7納米以下尖端工藝生產出尖端半導體，EUV設備是關鍵所在）的供給計劃交換了意見”、雙方還就AI芯片等未來半導體的新技術研發方面的合作、新冠肺炎之后的市場預測半導體技術戰略進行了會談”。
但是，筆者認為李副會長拜訪ASML的目的不僅僅是交換意見、會談。那么，真正的目的是什么呢？筆者認為有以下兩點：
1.希望ASML給三星電子提供更多的EUV設備。
2.希望ASML協助三星電子更加順利地使用已經購買的EUV設備。
在采用了EUV的半導體微縮化方面，TSMC全球領先。作為存儲半導體的“冠軍”——三星電子計劃在2030年之前在邏輯半導體的生產方面趕上TSMC。但是，從目前的狀況來看，ASML無法按照計劃為三星提供EUV設備，此外，對于三星已經引進的EUV量產設備，似乎使用的也不是很順利。結果，導致三星電子與TSMC的差距愈來愈大。
因此，筆者預測，覺察到危機的三星電子的李副會長與ASML的高層會晤，就EUV的供給、已購入的EUV設備的使用，向ASML尋求幫助。
在本文中，筆者首先敘述一下當下最尖端的半導體微縮化情況。其次，再說明ASML的EUV設備供給不足的情況。此外，再論述三星電子對EUV設備的使用熟練程度不及TSMC。另外，筆者再論述李副會長訪問ASML是否有效。最后，筆者指出，在EUV方面，三星電子的優勢不及TSMC，即使李副會長訪問ASML,也很難挽回現狀。
尖端邏輯半導體的現狀
下圖1是邏輯半導體、Foundry微縮化加工技術的藍圖。圖中的○△×是筆者添加的，代表的意思如下：
○：其微縮化加工技術的R&D（研究、開發）已經完成，且已經開始量產，此外，預計量產會順利進行。
△：其微縮化加工技術的R&D（研究、開發）在某種程度上完成了，但并沒有完全進入量產。
×：其微縮化加工技術的R&D（研究、開發）并未完成，此外，雖然R&D的目標明確，但仍未確立量產體制。
圖片出自：biz-journal
TSMC是全球微縮化加工技術最先進的廠家，2019年量產了7nm+（將EUV技術應用于孔中），且在2020年已經開始量產將EUV應用于排線層的5納米。此外，已經完成3納米的研發，計劃在2021年開始風險量產。同時，TSMC計劃在2024年實現2納米的量產，如今正在順利地為之選擇設備、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，反而促進了TSMC的研發。
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，僅從數字來看，三星電子絕不亞于TSMC。
筆者這么說的依據是三星電子的EUV技術不及TSMC成熟、良率也不及TSMC，因此很難說三星電子的EUV批量生產技術很順利。其證據是三星沒有成功獲得NVIDIA的7納米業務（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的技術差異，而技術差異產生的原因是什么呢？
TSMC做了什么籌備來實現EUV的量產呢？
要熟練使用新設備，需要花費相當長的時間。尤其是使用全球最尖端的設備——曝光設備進行量產半導體產品，直到避免Bug的出現，需要花費的時間極其漫長。
比方說，筆者記得，在九十年代初從事半導體技術員的時候，從水銀燈的i線曝光設備切換到KrF 量體（Excited Dimer）激光光源時，花費了5年-6年的時間。也就是說要熟練使用新設備，這些時間是必須的。
圖片出自：biz-journal
此外，歷經KrF、ArF干蝕、ArF液浸，2019年迎來了EUV。要熟練使用EUV設備，TSMC到底做了什么準備呢？TSMC應該沒有5年-6年的時間去為EUV的量產做準備，那么，TSMC到底做了什么？
匯合多方信息，TSMC在2018年，在7-8臺EUV設備上每月投入了約6-8萬顆晶圓，邊處理Bug問題、邊進行量產前的準備。假設每月最大投入量為8萬個，TSMC每年在EUV設備上投入了約100萬顆晶圓，且全部報廢了。基于以上這些巨量的準備工作，終于在2019年量產了7nm+工藝（僅在孔部位實施EUV），因此成功地將尖端工藝技術用在了華為的手機上。
三星電子的EUV情況
要量產使用EUV設備，需要花費大批量的時間和晶圓，三星電子的情況如何呢？2018年三星電子旗下華城半導體工廠（三星的Foundry據點）引進了八臺EUV設備。
但是，從Foundry的規模來看，用12英寸晶圓來換算，相對TSMC的月產120萬個（甚至更多）而言，三星電子月產僅有30萬個（雖然筆者不了解準確數字）。此外，按照這種規模來計算，如果突然要量產使用EUV設備，很有可能導致邏輯半導體全軍覆滅。
此外，多位相關人士表示，三星電子為了量產使用EUV設備，已經挪用了多個DRAM的量產工廠。三星電子擁有月產能約為50萬個的大型DRAM工廠。其中，將月產3000個-1萬個（最大）的工廠暫時用來EUV的“量產練習”。
有多家媒體報道指出，三星電子已經將EUV應用于最尖端的DRAM生產，三星電子本身也在2020年5月20日的新聞中公布說，“用EUV生產的第四代10納米級別的DRAM的出貨數量達到了100萬個”。
但是，我們不能完全相信！如今，一個12英寸晶圓可以同時生產出約1500個DRAM。因此，晶圓數量為：100萬個DRAM/1500=667個，假設良率為80%，晶圓數量為：100萬個DRAM/（1500*80%）=833個。也就是說，100萬個DRAM是在月產為50萬的大型DRAM產線上、以不足1000個的規模生產出來的。因此，三星電子提出的“已經生產了采用EUV技術的DRAM”雖然沒有錯，但從業界常識來看，很難得出“將EUV應用在了DRAM的量產上”這一結論。
這種情況，筆者認為“三星電子希望將EUV應用于邏輯半導體，但無法確保實驗場所，于是暫時借用了大型的DRAM的產線，很偶然做出了100萬個DRAM”。與TSMC相比，差距還很遠。
EUV設備數量差距持續拉大
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，且在為之努力。因此，三星在存儲半導體的生產據點——平澤建設了EUV專用廠房（不是在Foundry的據點——華成），據說三星電子的目標是在2025年之前引進約100臺EUV設備。
然而，三星電子的這一計劃卻“觸礁” 了。理由是ASML的EUV設備產能完全趕不上半導體廠家的訂單數量。（如下圖3）
全球唯一的EUV設備生產商——ASML在2015年出貨了6臺、2017年10臺，2018年18臺，2019年26臺，預計2020年出貨36臺。然而，Open PO數量在不斷增長，在2020年的第二季度已經達到了56臺。
筆者認為，在ASML 2020年出貨的36臺設備中大部分都是出給TSMC的。如果三星電子也購買了EUV設備，最多也就是1-2臺（如下圖4）。可以推測，在2020年年末各家廠家持有的EUV設備數量如下，TSMC為61臺，三星電子最多為10臺左右。
圖片出自：biz-journal
后續TSMC每年會引進約20-30臺EUV設備，預計在2025年末會擁有約185臺EUV設備（甚至更多）（注），另一方面，三星電子的目標是在2025年末擁有約100臺EUV設備，從ASML的生產產能來看，相當困難。
（注）:本稿發行后，筆者又進行了調查發現，2025年年末時間點，TSMC所持有的EUV曝光設備數量遠遠多于185臺。
未來的展望
如上所述，三星電子無法熟練操作使用EUV設備、且照此發展下去，很難確保其引進的設備數量。如果三星電子維持現狀，那么與TSMC的差距將會越來越大。為了打破這一危機情況，如文章開頭的《Business Korea》所述，三星電子的真正Top——李副會長與ASML的CEO&CTO進行了直接會談。其會談內容應該是“希望給三星電子提供更多的EUV設備”、“請協助三星電子熟練使用已經引進的EUV量產設備”。
但是，對于ASML而言，其重要客戶是TSMC。在2018年一整年，TSMC花費一年的時間、投入100萬個晶圓，不斷試錯，并反饋給ASML，并進行改善、改良，才使7nm+、5nm得以量產。未來還要量產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設備肯定適用于尖端工藝、且會繼續進步和發展。
雖然三星電子的高層突然訪問ASML，ASML也不會忽視TSMC而“親近”三星電子。但是，這世界在何時、發生何事，也都不好預測。未來我們將繼續關注TSMC、三星電子、ASML的動向！
