EUV光刻机争夺战背后:三星为何落后台积电?
2020-11-02 10:32

EUV光刻机争夺战背后:三星为何落后台积电?

本文来自微信公众号:半导体行业观察(ID:icbank),作者:汤之上隆(微细加工研究所所长),原标题《EUV争夺战背后》,头图来自:ASML


三星电子李在镕副会长于10月13日紧急访问了荷兰的半导体设备厂家——ASML,并与ASML的CEO Peter Wennink先生、CTO Martin van den Brink先生进行了会谈,且媒体《Business Korea》对此进行了报道。ASML是全球唯一一家能够提供尖端光刻设备(EUV)的厂家,半导体厂商能够购买到的EUV设备数量是近期半导体微缩化竞争的焦点所在。


《Business Korea》在报道中指出,“双方就EUV设备(能否利用7纳米或者7纳米以下尖端工艺生产出尖端半导体,EUV设备是关键所在)的供给计划交换了意见”、双方还就AI芯片等未来半导体的新技术研发方面的合作、新冠肺炎之后的市场预测半导体技术战略进行了会谈”。


但是,笔者认为李副会长拜访ASML的目的不仅仅是交换意见、会谈。那么,真正的目的是什么呢?笔者认为有以下两点。


1. 希望ASML给三星电子提供更多的EUV设备。


2. 希望ASML协助三星电子更加顺利地使用已经购买的EUV设备。


在采用了EUV的半导体微缩化方面,台积电(TSMC)全球领先。作为存储半导体的“冠军”——三星电子计划在2030年之前在逻辑半导体的生产方面赶上台积电。但是,从目前的状况来看,ASML无法按照计划为三星提供EUV设备,此外,对于三星已经引进的EUV设备,似乎使用得也不是很顺利。结果,导致三星电子与台积电的差距愈来愈大。


因此,笔者预测,觉察到危机的三星电子的李副会长与ASML的高层会晤,就EUV的供给、已购入的EUV设备的使用,向ASML寻求帮助。


在本文中,笔者首先叙述一下当下最尖端的半导体微缩化情况。其次,再说明ASML的EUV设备供给不足的情况。此外,再论述三星电子对EUV设备的使用熟练程度不及台积电。另外,笔者再论述李副会长访问ASML是否有效。最后,笔者指出,在EUV方面,三星电子的优势不及台积电,即使李副会长访问ASML,也很难挽回现状。


一、尖端逻辑半导体的现状


下图1是逻辑半导体、Foundry微缩化加工技术的蓝图。图中的○△×是笔者添加的,代表的意思如下:


○:其微缩化加工技术的R&D(研究、开发)已经完成,且已经开始量产,此外,预计量产会顺利进行。


△:其微缩化加工技术的R&D(研究、开发)在某种程度上完成了,但并没有完全进入量产。


×:其微缩化加工技术的R&D(研究、开发)并未完成,此外,虽然R&D的目标明确,但仍未确立量产体制。


图片出自:biz-journal


台积电是全球微缩化加工技术最先进的厂家,2019年量产了7nm+(将EUV技术应用于孔中)芯片,且在2020年已经开始将EUV应用于5纳米芯片的量产。此外,已经完成3纳米的研发,计划在2021年开始风险量产。同时,台积电计划在2024年实现2纳米芯片的量产,如今正在为之选择设备、材料。如此可以看出,新冠肺炎不仅没有对台积电的微缩化造成影响,反而促进了台积电的研发。


相比之下,三星电子的情况如何呢?三星电子在2019年7月2日公布说新款Galaxy Note上的处理器——Exynos 9825是用7纳米工艺(采用EUV)制造的。后来,2019年下半年公布6纳米、今年公布5纳米,仅从数字来看,三星电子绝不亚于台积电。


笔者这么说的依据是三星电子的EUV技术不及台积电成熟、良率也不及台积电,因此很难说三星电子的EUV批量生产技术很顺利。其证据是三星没有成功获得NVIDIA的7纳米业务(其图像处理器GPU席卷全球)


综上所述,我们可以得知三星电子和台积电的技术差异,而技术差异产生的原因是什么呢?


二、使用EUV进行量产之前,台积电做了什么准备呢?


要熟练使用新设备,需要花费相当长的时间。尤其是使用全球最尖端的设备——EUV光刻机设备进行量产半导体产品,直到避免Bug的出现,需要花费的时间极其漫长。


比方说,笔者记得,在九十年代初当半导体技术员的时候,从水银灯的i线曝光设备切换到KrF量体(Excited Dimer)激光光源时,花费了5年~6年的时间。也就是说要熟练使用新设备,这些时间是必须的。


图片出自:biz-journal


此外,历经KrF、ArF干蚀、ArF液浸,2019年迎来了EUV。要熟练使用EUV设备,台积电到底做了什么准备呢?台积电应该没有5年~6年的时间去为使用EUV进行量产做准备,那么,台积电到底做了什么?


汇合多方信息,台积电在2018年,在7~8台EUV设备上每月投入了约6万~8万颗晶圆,边处理Bug问题、边进行量产前的准备。假设每月最大投入量为8万个,台积电每年在EUV设备上投入了约100万颗晶圆,且全部报废了。基于以上这些巨量的准备工作,终于在2019年量产了7nm+工艺芯片(仅在孔部位实施EUV),成功地将尖端工艺技术用在了华为的手机上。


三、三星电子的EUV情况


要使用EUV设备进行量产,需要花费大量的时间和晶圆,三星电子的情况如何呢?2018年三星电子旗下华城半导体工厂(三星的Foundry据点)引进了八台EUV设备。


但是,从Foundry的规模来看,用12英寸晶圆来换算,相对台积电的月产120万个(甚至更多)而言,三星电子月产仅有30万个(虽然笔者不了解准确数字)。此外,按照这种规模来计算,如果突然要量产使用EUV设备,很有可能导致逻辑半导体全军覆灭。


此外,多位相关人士表示,三星电子为了量产使用EUV设备,已经挪用了多个DRAM的量产工厂。三星电子拥有月产能约为50万个的大型DRAM工厂。其中,将月产3000个~1万个(最大)的工厂暂时用来进行EUV的“量产练习”。


有多家媒体报道指出,三星电子已经将EUV应用于最尖端的DRAM生产,三星电子本身也在2020年5月20日的新闻中公布说,“用EUV生产的第四代10纳米级别的DRAM的出货数量达到了100万个”。


但是,我们不能完全相信!如今,一个12英寸晶圆可以同时生产出约1500个DRAM。因此,晶圆数量为:100万个DRAM/1500=667个,假设良率为80%,晶圆数量为:100万个DRAM/(1500*80%)=833个。也就是说,100万个DRAM是在月产为50万的大型DRAM产线上、以不足1000个的规模生产出来的。因此,三星电子提出的“已经生产了采用EUV技术的DRAM”虽然没有错,但从业界常识来看,很难得出“将EUV应用在了DRAM的量产上”这一结论。


这种情况,笔者认为“三星电子希望将EUV应用于逻辑半导体,但无法确保实验场所,于是暂时借用了大型的DRAM的产线,很偶然做出了100万个DRAM”。与台积电相比,差距还很远。


四、EUV设备数量差距持续拉大


如上所述,在使用EUV的熟练程度上,三星电子与台积电有很大的差距。然而,三星电子却提出了要在2030年之前在Foundry方面赶上台积电的目标,且在为之努力。因此,三星在存储半导体的生产据点——平泽建设了EUV专用厂房(不是在Foundry的据点——华成),据说三星电子的目标是在2025年之前引进约100台EUV设备。


然而,三星电子的这一计划却“触礁” 了。理由是ASML的EUV设备产能完全赶不上半导体厂家的订单数量。(如下图3)


图片出自:biz-journal


全球唯一的EUV设备生产商——ASML在2015年出货了6台、2017年10台,2018年18台,2019年26台,预计2020年出货36台。然而,Open PO数量在不断增长,在2020年的第二季度已经达到了56台。


笔者认为,在ASML 2020年出货的36台设备中大部分都是出给台积电的。如果三星电子也购买了EUV设备,最多也就是1~2台(如下图4)。可以推测,在2020年年末各家厂家持有的EUV设备数量如下,台积电为61台,三星电子最多为10台左右。


图片出自:biz-journal


后续台积电每年会引进约20~30台EUV设备,预计在2025年末会拥有约185台EUV设备(甚至更多)(注),另一方面,三星电子的目标是在2025年末拥有约100台EUV设备,从ASML的生产产能来看,相当困难。


(注):本稿发行后,笔者又进行了调查发现,2025年年末时间点,台积电所持有的EUV光刻机数量远远多于185台。


五、未来的展望


如上所述,三星电子无法熟练操作使用EUV设备、且照此发展下去,很难确保其引进的设备数量。如果三星电子维持现状,那么与台积电的差距将会越来越大。为了打破这一危机情况,如文章开头的《Business Korea》所述,三星电子的真正Top——李副会长与ASML的CEO&CTO进行了直接会谈。其会谈内容应该是“希望给三星电子提供更多的EUV设备”、“请协助三星电子熟练使用已经引进的EUV设备”。


但是,对于ASML而言,其重要客户是台积电。在2018年一整年,台积电花费一年的时间、投入100万个晶圆,不断试错,并反馈给ASML,并进行改善、改良,才使7nm+、5nm芯片得以量产。未来还要量产3纳米、2纳米的芯片。苹果、AMD、高通、NVIDIA(未来也许还有英特尔)都在依赖着台积电的尖端工艺。ASML的EUV设备肯定适用于尖端工艺、且会继续进步和发展。


虽然三星电子的高层突然访问ASML,ASML也不会忽视台积电而“亲近”三星电子。但是,这世界在何时、发生何事,也都不好预测。未来我们将继续关注台积电、三星电子、ASML的动向。


本文来自微信公众号:半导体行业观察(ID:icbank),作者:汤之上隆(微细加工研究所所长)

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