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EUV光刻机争夺战背后：三星为何落后台积电？

晰数塔互联网快讯
2020-11-02 10:34

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量产设备，似乎使用的也不是很顺利。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），且在2020年已经开始量产将EUV应用于排线层的5纳米。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纳米的量产，如今正在顺利地为之选择设备、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（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、台积电做了什么筹备来实现EUV的量产呢？

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，在九十年代初从事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EUV的量产做准备，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（仅在孔部位实施EUV），因此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

要量产使用EUV设备，需要花费大批量的时间和晶圆，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量产设备”。

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得以量产。未来还要量产3纳米、2纳米。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）