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allbetgaming客户端下载(allbet6.com):三星台积电EUV光刻机之战推演:榨干A *** L未来5年产能!

admin2020-12-15135

芯器械(民众号:aichip001)

作者 | 汤之上隆

编译 | Panken

编者注:本文作者汤之上隆先生为日本周详加工研究所所长,曾历久在日本制造业的生产第一线从事半导体研发事情,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、顾问及新闻事情者等事情,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:日本制造业的战败》等著作。本文是汤之上隆先生克日发表于eetimes.jp上的一篇长文。

全文如下:

更先进的EUV(极紫外线)光刻机始于1997年,其周全开发在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的量产同样接纳了EUV手艺。

汤之上隆在2007年第一次加入国际光刻手艺展览会(SPIE)时,有一个演示文稿展示了开发EUV何其难题,如下图所示。

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▲2007年2月在国际光刻手艺 *** SPIE上(泉源:引用自Anthony Yen,A *** L,“ EUV光刻及其在逻辑和存储装备中的应用”,VLSI 2020)

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,相距云云遥远,好像人类一生都无法触达它们。十三年前,开发EUV异常难题。

幸亏人类的智慧很美妙,来自世界各地的光刻手艺研究者将智慧群集起来,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,有关职员称“EUV正靠近太阳系”;2016年,EUV“跳入地球大气层”,被期待已久的研发装备由荷兰A *** L公司推出。

现在A *** L是唯一可以提供EUV光刻机的供应商,其出货量稳步增进,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A *** L将出货36台EUV光刻机。

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▲A *** L的EUV光刻装备出货量和积压需求(泉源:WikiChip、A *** L财务报告和一些作者的展望)

然而,A *** L似乎无法知足先进半导体制造商的订单数目,订单连续积压,到2020年第二季度,其积压需求数目似乎到达了56台。

那么为什么会云云缺货呢?

本文福利:全球半导体装备行业将连续处于高景气阶段,半导体装备国产替换继续突破。推荐精品研报《导体行业受益全球数字化,国产装备将逆势而上》,可在民众号谈天栏回复关键词【芯器械059】获取。

01.

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手艺推进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目伟大,因此以为积压的EUV光刻机订单正在增添。

关于这两家公司,作者曾在《》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�F于2020年10月13日接见A *** L,并要求A *** L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。

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▲半导体制造商拥有的EUV光刻机累计数目(泉源:每个公司的设计和作者展望)

作者以为鉴于A *** L的生产能力,这是不可能的,但他此前的展望很可能是错误的。

因此,在本文中,汤之上隆将注释台积电每年需要若干EUV光刻机及缘故原由,以及三星旨在2020年赶上台积电的EUV实行计谋,还将讨论A *** L能否知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,这不是一个完整的谜底,但A *** L预计它将交付靠近于这个数目的EUV光刻装备,助力这两家公司继续推动3nm及更小制程的演进。

下图显示了按手艺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添,因此估量2021年5nm和7nm的总和将占台积电总出货量的大多数。

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▲台积电微缩化状态(2020-Q3)(泉源:作者凭据台积电的财务报告建立)

在7nm处,未接纳EUV的N7工艺和接纳EUV的N7+工艺夹杂在一起,比例未知。接纳EUV的5nm和N7+的出货价值正以比预期更快的速率迅速增进。

围绕台积电更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。

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▲台积电先进工艺的无晶圆厂之战

自2020年9月15日起,由于美国商务部增强出口限制,台积电不能向中国华为公司供货半导体产物,而华为约占台积电总产值的15%。不外这对台积电险些没有影响,反而其更先进工艺的能力未来可能会不足。

特别是,台积电的最新工艺严重依赖EUV装备,若是无法确保足够的数目,则将难以负担更多的无晶圆厂生产委托。

那么2021年后,台积电需要若干台EUV光刻机?

02.

台积电需要若干台EUV光刻机?

关于台积电的微缩化和大规模生产,据了解,台积电接纳EUV手艺的N7+工艺从2019年更先量产,5nm工艺在2020年量产,3nm装备和质料选择完成后将在2021年风险生产、在2022年量产,2nm装备和质料设计在2024年更先量产。

现在尚不清晰N7+的当前月产能,5nm、3nm和2nm的最终月产能以及这些手艺节点的EUV层数。另外,尚不确切知道批量生产现场的EUV吞吐量(每小时处置的晶圆数目)和开工率。

在此,为了盘算台积电所需的EUV数目,请参阅2020 VLSI钻研会上的A *** L和imec通告,作者将试图假设如下。

1在大规模批量生产时代,每个制程节点的月生产能力设置为170-190K(K = 1000);

2、为启动制程节点,决议在三个阶段引入所需数目的EUV装备: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举行;

4关于EUV层数,N7+对应5层,5nm达15层,3nm达32层,2nm达45层。

5EUV的平均产量为80-90个/小时,包罗停机时间在内的平均开工率为70-90%,每一项的点点滴滴都市逐步改善。

基于上述假设,从2020年-2023年,台积电一年内(想要)引入的EUV光刻机数目如下图所示。

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▲估算所需的台积电EUV数目

首先,到2020年,当5nm大规模生产及3nm试产启动时,据盘算将需要35台新EUV光刻机,盘算结果与图3中的现实值险些相同。

到2021年,5nm生产规模将扩大,3nm风险生产将启动,经盘算所需的新EUV光刻机数目达54台;到2022年,当3nm大规模生产、2nm试产启动,需要的新EUV光刻机数目被盘算为57台。

此外,到2023年,当3nm生产规模扩大、2nm更先风险生产时,所需新EUV光刻机数到达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光刻机数被盘算为62台。

凭据该假设得出的结论(可能是异常不确定的)是,台积电在2021年-2015年的五年内总共需要292台EUV光刻机,每年平均需新增58台。

若是自2021年以后,台积电每年平台需要不到60台EUV光刻机,A *** L是否能够知足这一需求?

03.

三星晶圆厂EUV现状

三星的晶圆代工营业现在不及台积电。凭据TrendForce在10月5日公布的晶圆代工市场份额展望,台积电约占55%,三星约占16%。

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▲2020年晶圆代工市场份额展望(泉源:TrendForce)

此外,三星12英寸晶圆的月产能估量约为20万个,而台积电月产能跨越120万个。只管三星宣布它已接纳EUV乐成量产7nm和5nm,但生产规模尚不清晰,是否真正大规模生产也令人嫌疑。

听说台积电经过培训后,在2018年内每月在7-8台EUV装备上投入6万-8万个晶圆。假设每月更大数目为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事情,台积电终于在2019年乐成将EUV用于N7+量产。

另一方面,三星若何训练EUV?

凭据多方信息,三星正通过租用一条月产量约50万个的大型DRAM生产线,将月产更大不跨越1万个的工厂暂时用于做EUV的量产“演习”。

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现实上,有许多报道称,三星正在将EUV应用到更先进的DRAM生产,三星自己也在2020年5月20日的新闻稿中示意:“用EUV生产的第四代10nm级DRAM已出货100万个。”

然则,我们不能真正接受这一点。现在,一个12英寸晶圆上可同时生产约1500个DRAM,因此晶圆数目为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,但凭据业界的知识,不能说“将EUV应用于DRAM的批量生产”。

04.

三星的晶圆代工战略

三星在2019年宣布了“Vision 2030”,设计到2030年投入了133万亿韩元(约合近8000亿人民币)的巨额资金,约请15000名硕士、博士等专业人才,设定了逾越台积电成为晶圆代工领导者的目的。

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▲三星代工2030年目的资料(泉源:三星代工营业高级副总裁Shawn Han,“三星基金会生长战略”,摘录自2020年11月30日的投资者通告)

此外,如前所述,三星公司副董事长李在�F于2020年10月13日接见了A *** L,并告诉A *** L首席执行官Peter Wennink和首席手艺官Martin van den Brink:“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。”

但无论投入若干钱,汤之上隆以为A *** L承接台积电的订单已经满载,因此无法将EUV装备交付给三星。

如下图所示,三星晶圆代工厂生产的更先进的逻辑半导体,只能发现其智能手机Galaxy系列的应用处置器和IBM超级盘算机的芯片。NVIDIA和高通已将生产承包商更改为台积电,可能是由于三星使用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。)。

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▲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光刻装备的数目和成熟度、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“Vision 2030”设计或将失败。就在汤之上隆这么想时,事态又突然发生了转变。

05.

A *** L首席执行官接见三星

2020年12月1日的《韩国商业报》报道说,A *** L首席执行官Peter Wennink等高管于11月尾接见了三星。在接见时代的 *** 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(high-NA,NA=0.55)EUV装备的互助。

基于High-NA的下一代EUV装备每台价钱预计为5000亿韩元(靠近30亿人民币),是NA=0.33 EUV的2-3倍。三星设计在2023年中期推出High-NA原型EUV,这是三星与台积电竞争的计谋,三星希望抢在台积电前有限获得High-NA光刻机。

此外,凭据专家提供的信息,三星副董事长李在�F在10月13日接见A *** L时代要求的“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年头被引入。此外。2021年后,尚不清晰是否会落实“每年20台EUV装备”,但似乎将会引入类似数目的EUV光刻机。

06.

台积电和三星EUV引进设计

综上所述,经盘算,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年头已获得9台EUV光刻机,并要求今后每年引入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。

凭据三星的要求,若是根据作者的盘算为台积电引入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High-NA原型装备。

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▲台积电和三星拥有的EUV光刻机数目展望(泉源:每个公司的设计和作者的展望)

问题在于,A *** L是否每年可以生产和供应约80台EUV光刻机。下面,文章将凭据A *** L已往向投资者公然的质料,来讨论这种可能性。

07.

A *** L EUV生产设计

下图是A *** L在2016年10月31日“Investor Day”时代向投资者们展示的信息。EUV光刻机在A *** L称之为Cabin的洁净室中生产。

由于一个Cabin生产一台EUV光刻机,因此增添Cabin的数目才气批量生产EUV光刻机。

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▲A *** L EUV扩增Cabin设计的来源资料(泉源:为投资资源家公布基础摘取自A *** L简介质料“ EUV行动及其商业服务台”,2016年10月31日)

从上图可见,A *** L在2014年有15个Cabin,2015年增添了10个Cabin至25个Cabin。之后可以看出,该设计是凭据需要来增添Cabin的数目,另据专家的信息,A *** L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,需要破费几个月的时间?

停止2016年,生产一台EUV将破费跨越12个月的时间。这是由于A *** L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。

A *** L在2019年出货了26台EUV光刻机,但可以估量25个Cabin中的每个Cabin在一年内生产了一台EUV。若是按35个Cabin中每个Cabin在一年内生产一台EUV来算,A *** L在2020年可以交付36台EUV光刻机。

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▲A *** L EUV生产展望

那么,A *** L能做什么来知足2021年以后台积电、三星总共70-80台EUV光刻机的需求?

突然将Cabin数目从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,在三星副董事长接见后,EUV光刻机出货量又增添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。

若是35个Cabin的建设期为10个月,则可以生产42台EUV光刻机;若是建设期为8个月,则可以生产52台;若是建设期为6个月,则可以生产70台。

对缩短施工时间影响更大的部门,是卡尔・蔡司(Carl Zeiss)生产的用于EUV的光学镜头。凭据有关人士的信息,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。

08.

A *** L的展望

在2018年11月8日“Investor Day”时代,A *** L向投资者展示了2020年的EUV需求和展望,包罗高需求和低需求两种类型的展望,而现实情况靠近高需求。

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▲A *** L的2020年EUV装备需求和引进展望(泉源:摘自A *** L的投资者简报质料“营业模子和资源分配计谋”,2018年11月8日)

凭据A *** L的高需求展望,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,现实需求超出了A *** L展望的高需求。

此外,A *** L用上述质料展望了2025年EUV的需求和引入。在高需求下,high-NA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。

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▲A *** L的2025年EUV需求和引进展望(泉源:摘自A *** L的投资者简介质料“营业模子和资源分配计谋”,2018年11月8日)

现实上,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A *** L早在两年前就展望了64台的需求量,因此对于A *** L,是可能知足超出预期的需求的。

由于2019年和2020年没有“Investor Day”,因此现在尚不清晰A *** L若何在已往两年中调整其对EUV需求和接纳量的展望。不外,为响应自2018年以来向上修订的需求,A *** L将设计缩短EUV装备的打造时间并增添Cabin数目。

09.

结语:逻辑半导体缩放将继续

综上所述,只管台积电和三星对约莫80台EUV光刻机的需求量不会立刻获得完全响应,但预计A *** L在未来几年内将交付类似数目的EUV光刻机。随着EUV光刻机数目增进,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。但三星设计尽快推出High-NA,可能会在2nm之后恢复。

在逻辑半导体方面,imec的Myung Hee Na在IEDM2020上宣布了直至1nm的半导体路线图。

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▲迈向1nm制程的半导体路线图(泉源:imec)

凭据该路线图,逻辑半导体制程将生长向2nm、1.4nm、1nm甚至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有主导地位?照样会泛起黑马?我们将继续关注EUV和使用该手艺的微缩化。

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