編者注：本文作者湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導(dǎo)體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，之后一直從事和半導(dǎo)體行業(yè)有關(guān)的教學(xué)、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導(dǎo)體”的失敗》、《“電機(jī)、半導(dǎo)體”潰敗的教訓(xùn)》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。本文是湯之上隆先生近日發(fā)表于eetimes.jp上的一篇長文。

全文如下：

最先進(jìn)的EUV（極紫外線）***始于1997年，其全面開發(fā)在20多年后的2018年第三季度。隨后，臺(tái)積電在2019年將EUV應(yīng)用于7nm+工藝量產(chǎn)，2020年5nm的量產(chǎn)同樣采用了EUV技術(shù)。

湯之上隆在2007年第一次參加國際光刻技術(shù)博覽會(huì)（SPIE）時(shí)，有一個(gè)演示文稿展示了開發(fā)EUV何其困難，如下圖所示。

▲2007年2月在國際光刻技術(shù)會(huì)議SPIE上（來源：引用自Anthony Yen，ASML，“ EUV光刻及其在邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備中的應(yīng)用”，VLSI 2020）

在銀河系的最右端是太陽系，這里有人類賴以生存的地球。然而，EUV量產(chǎn)機(jī)與太陽系距離10萬光年，相距如此遙遠(yuǎn)，仿佛人類一生都無法觸達(dá)它們。十三年前，開發(fā)EUV非常困難。

好在人類的智慧很美妙，來自世界各地的光刻技術(shù)研究者將智慧聚集起來，致力于解決每一個(gè)課題。結(jié)果在2013年左右，EUV光源輸出這一大難題得以改善，有關(guān)人員稱“EUV正接近太陽系”；2016年，EUV“跳入地球大氣層”，被期待已久的研發(fā)設(shè)備由荷蘭ASML公司推出。

目前ASML是唯一可以提供EUV***的供應(yīng)商，其出貨量穩(wěn)步增長，2016年出貨5臺(tái)、2017年出貨10臺(tái)、2018年出貨18臺(tái)、2019年出貨26臺(tái)，湯之上隆預(yù)計(jì)，到2020年ASML將出貨36臺(tái)EUV***。

▲ASML的EUV光刻設(shè)備出貨量和積壓需求（來源：WikiChip、ASML財(cái)務(wù)報(bào)告和一些作者的預(yù)測）

然而，ASML似乎無法滿足先進(jìn)半導(dǎo)體制造商的訂單數(shù)量，訂單持續(xù)積壓，到2020年第二季度，其積壓需求數(shù)量似乎達(dá)到了56臺(tái)。

那么為什么會(huì)如此缺貨呢？

一、臺(tái)積電與三星的EUV之戰(zhàn)

臺(tái)積電和三星電子（以下簡稱三星）是僅有的兩家使用EUV技術(shù)推進(jìn)7nm及更小制程研發(fā)的半導(dǎo)體制造商。由于這兩家公司的訂單數(shù)量巨大，因此認(rèn)為積壓的EUV***訂單正在增加。

關(guān)于這兩家公司，作者曾在《三星董事長去世、令人驚訝的半導(dǎo)體業(yè)界“三偉人”的意外共通點(diǎn)》一文寫道，臺(tái)積電自2021年依賴每年都需求30臺(tái)EUV***，但這被低估了。三星副董事長李在镕于2020年10月13日訪問ASML，并要求ASML在2020年交付9臺(tái)EUV***、在2021年后每年交付20臺(tái)EUV***。

▲半導(dǎo)體制造商擁有的EUV***累計(jì)數(shù)量（來源：每個(gè)公司的計(jì)劃和作者預(yù)測）

作者認(rèn)為鑒于ASML的生產(chǎn)能力，這是不可能的，但他此前的預(yù)測很可能是錯(cuò)誤的。

因此，在本文中，湯之上隆將解釋臺(tái)積電每年需要多少EUV***及原因，以及三星旨在2020年趕上臺(tái)積電的EUV實(shí)施策略，還將討論ASML能否滿足臺(tái)積電和三星的需求。

首先陳述下結(jié)論，雖然對于臺(tái)積電和三星來說，這不是一個(gè)完整的答案，但ASML預(yù)計(jì)它將交付接近于這個(gè)數(shù)量的EUV光刻設(shè)備，助力這兩家公司繼續(xù)推動(dòng)3nm及更小制程的演進(jìn)。

下圖顯示了按技術(shù)節(jié)點(diǎn)劃分的臺(tái)積電季度出貨量百分比。2020年第三季度，其5nm占比為8％、7nm占比為35％，5nm和7nm共占43％。由于其5nm的比例預(yù)計(jì)在未來會(huì)迅速增加，因此估計(jì)2021年5nm和7nm的總和將占臺(tái)積電總出貨量的大多數(shù)。

▲臺(tái)積電微縮化狀況（2020-Q3）（來源：作者根據(jù)臺(tái)積電的財(cái)務(wù)報(bào)告創(chuàng)建）

在7nm處，未采用EUV的N7工藝和采用EUV的N7+工藝混合在一起，比例未知。采用EUV的5nm和N7+的出貨價(jià)值正以比預(yù)期更快的速度迅速增長。

圍繞臺(tái)積電最先進(jìn)工藝的無晶圓廠（Fabless）產(chǎn)能爭奪戰(zhàn)如圖所示。頭部是蘋果，高通、NVIDIA、AMD、賽靈思、博通、聯(lián)發(fā)科、谷歌、亞馬遜等擠在一起，英特爾很可能會(huì)加入其中。

▲臺(tái)積電先進(jìn)工藝的無晶圓廠之戰(zhàn)

自2020年9月15日起，由于美國商務(wù)部加強(qiáng)出口限制，臺(tái)積電不能向中國華為公司供貨半導(dǎo)體產(chǎn)品，而華為約占臺(tái)積電總產(chǎn)值的15％。不過這對臺(tái)積電幾乎沒有影響，反而其最先進(jìn)工藝的能力將來可能會(huì)不足。

特別是，臺(tái)積電的最新工藝嚴(yán)重依賴EUV設(shè)備，如果無法確保足夠的數(shù)量，則將難以承擔(dān)更多的無晶圓廠生產(chǎn)委托。

那么2021年后，臺(tái)積電需要多少臺(tái)EUV***？

二、臺(tái)積電需要多少臺(tái)EUV***？

關(guān)于臺(tái)積電的微縮化和大規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)了解，臺(tái)積電采用EUV技術(shù)的N7+工藝從2019年開始量產(chǎn)，5nm工藝在2020年量產(chǎn)，3nm設(shè)備和材料選擇完成后將在2021年風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)、在2022年量產(chǎn)，2nm設(shè)備和材料計(jì)劃在2024年開始量產(chǎn)。

目前尚不清楚N7+的當(dāng)前月產(chǎn)能，5nm、3nm和2nm的最終月產(chǎn)能以及這些技術(shù)節(jié)點(diǎn)的EUV層數(shù)。另外，尚不確切知道批量生產(chǎn)現(xiàn)場的EUV吞吐量（每小時(shí)處理的晶圓數(shù)量）和開工率。

在此，為了計(jì)算臺(tái)積電所需的EUV數(shù)量，請參閱2020 VLSI研討會(huì)上的ASML和imec公告，作者將試圖假設(shè)如下。

1、在大規(guī)模批量生產(chǎn)期間，每個(gè)制程節(jié)點(diǎn)的月生產(chǎn)能力設(shè)置為170-190K（K = 1000）；

2、為啟動(dòng)制程節(jié)點(diǎn)，決定在三個(gè)階段引入所需數(shù)量的EUV設(shè)備：試產(chǎn)、風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)和大規(guī)模量產(chǎn)；

3、大規(guī)模量產(chǎn)將分為第一階段和第二階段兩個(gè)階段進(jìn)行；

4、關(guān)于EUV層數(shù)，N7+對應(yīng)5層，5nm達(dá)15層，3nm達(dá)32層，2nm達(dá)45層。

5、EUV的平均產(chǎn)量為80-90個(gè)/小時(shí)，包括停機(jī)時(shí)間在內(nèi)的平均開工率為70-90％，每一項(xiàng)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴都會(huì)逐步改善。

基于上述假設(shè)，從2020年-2023年，臺(tái)積電一年內(nèi)（想要）引入的EUV***數(shù)量如下圖所示。

▲估算所需的臺(tái)積電EUV數(shù)量

首先，到2020年，當(dāng)5nm大規(guī)模生產(chǎn)及3nm試產(chǎn)啟動(dòng)時(shí)，據(jù)計(jì)算將需要35臺(tái)新EUV***，計(jì)算結(jié)果與圖3中的實(shí)際值幾乎相同。

到2021年，5nm生產(chǎn)規(guī)模將擴(kuò)大，3nm風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)將啟動(dòng)，經(jīng)計(jì)算所需的新EUV***數(shù)量達(dá)54臺(tái)；到2022年，當(dāng)3nm大規(guī)模生產(chǎn)、2nm試產(chǎn)啟動(dòng)，需要的新EUV***數(shù)量被計(jì)算為57臺(tái)。

此外，到2023年，當(dāng)3nm生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、2nm開始風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)時(shí)，所需新EUV***數(shù)達(dá)到58臺(tái)。到2024年2nm大規(guī)模生產(chǎn)啟動(dòng)及2025年生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，所需新EUV***數(shù)被計(jì)算為62臺(tái)。

根據(jù)該假設(shè)得出的結(jié)論（可能是非常不確定的）是，臺(tái)積電在2021年-2015年的五年內(nèi)總共需要292臺(tái)EUV***，每年平均需新增58臺(tái)。

如果自2021年以后，臺(tái)積電每年平臺(tái)需要不到60臺(tái)EUV***，ASML是否能夠滿足這一需求？

三、三星晶圓廠EUV現(xiàn)狀

三星的晶圓代工業(yè)務(wù)目前不及臺(tái)積電。根據(jù)TrendForce在10月5日發(fā)布的晶圓代工市場份額預(yù)測，臺(tái)積電約占55％，三星約占16％。

▲2020年晶圓代工市場份額預(yù)測（來源：TrendForce）

此外，三星12英寸晶圓的月產(chǎn)能估計(jì)約為20萬個(gè)，而臺(tái)積電月產(chǎn)能超過120萬個(gè)。盡管三星宣布它已采用EUV成功量產(chǎn)7nm和5nm，但生產(chǎn)規(guī)模尚不清楚，是否真正大規(guī)模生產(chǎn)也令人懷疑。

聽說臺(tái)積電經(jīng)過培訓(xùn)后，在2018年內(nèi)每月在7-8臺(tái)EUV設(shè)備上投入6萬-8萬個(gè)晶圓。假設(shè)每月最大數(shù)量為8萬，則12個(gè)月內(nèi)將有96萬個(gè)晶圓被曝光?；谶@些巨量的準(zhǔn)備和試錯(cuò)工作，臺(tái)積電終于在2019年成功將EUV用于N7+量產(chǎn)。

另一方面，三星如何訓(xùn)練EUV？

根據(jù)多方信息，三星正通過租用一條月產(chǎn)量約50萬個(gè)的大型DRAM生產(chǎn)線，將月產(chǎn)最大不超過1萬個(gè)的工廠暫時(shí)用于做EUV的量產(chǎn)“練習(xí)”。

實(shí)際上，有許多報(bào)道稱，三星正在將EUV應(yīng)用到最先進(jìn)的DRAM生產(chǎn)，三星本身也在2020年5月20日的新聞稿中表示：“用EUV生產(chǎn)的第四代10nm級DRAM已出貨100萬個(gè)?！?/p>

但是，我們不能真正接受這一點(diǎn)。目前，一個(gè)12英寸晶圓上可同時(shí)生產(chǎn)約1500個(gè)DRAM，因此晶圓數(shù)量為100萬個(gè)÷1500個(gè)/片=667片。假設(shè)產(chǎn)率為80％，則晶圓片數(shù)為100萬÷（1500個(gè)/片×80％）= 833片。換句話說，100萬個(gè)DRAM是在一條月產(chǎn)50萬的大型DRAM生產(chǎn)線上、以不到1000個(gè)的規(guī)模生產(chǎn)出來的。

因此，說三星“出貨了用EUV制造的DRAM”沒有錯(cuò)，但根據(jù)業(yè)界的常識(shí)，不能說“將EUV應(yīng)用于DRAM的批量生產(chǎn)”。

四、三星的晶圓代工戰(zhàn)略

三星在2019年宣布了“Vision 2030”，計(jì)劃到2030年投入了133萬億韓元（約合近8000億人民幣）的巨額資金，聘請15000名碩士、博士等專業(yè)人才，設(shè)定了超越臺(tái)積電成為晶圓代工領(lǐng)導(dǎo)者的目標(biāo)。

▲三星代工2030年目標(biāo)資料（來源：三星代工業(yè)務(wù)高級副總裁Shawn Han，“三星基金會(huì)成長戰(zhàn)略”，摘錄自2020年11月30日的投資者公告）

此外，如前所述，三星公司副董事長李在镕于2020年10月13日訪問了ASML，并告訴ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink和首席技術(shù)官M(fèi)artin van den Brink：“我們希望在2020年底之前引入9臺(tái)EUV，在2021年之后每年引入20臺(tái)EUV?！?/p>

但無論投入多少錢，湯之上隆認(rèn)為ASML承接臺(tái)積電的訂單已經(jīng)滿載，因此無法將EUV設(shè)備交付給三星。

如下圖所示，三星晶圓代工廠生產(chǎn)的最先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體，只能發(fā)現(xiàn)其智能手機(jī)Galaxy系列的應(yīng)用處理器和IBM超級計(jì)算機(jī)的芯片。NVIDIA和高通已將生產(chǎn)承包商更改為臺(tái)積電，可能是因?yàn)槿鞘褂肊UV批量生產(chǎn)的7nm和5nm良率不佳（但由于折扣很大，高通分單給了三星。）。

▲三星的先進(jìn)邏輯晶圓代工生產(chǎn)什么

這樣，三星與臺(tái)積電在EUV光刻設(shè)備的數(shù)量和成熟度、晶圓代工廠份額方面的差距不斷擴(kuò)大，投資133萬億韓元、聘用15000人的“Vision 2030”計(jì)劃或?qū)⑹?。就在湯之上隆這么想時(shí)，事態(tài)又突然發(fā)生了變化。

五、ASML首席執(zhí)行官訪問三星

2020年12月1日的《韓國商業(yè)報(bào)》報(bào)道說，ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink等高管于11月底訪問了三星。在訪問期間的會(huì)議上，三星要求提供更多的EUV***，并討論了關(guān)于下一代高數(shù)值孔徑（high-NA，NA=0.55）EUV設(shè)備的合作。

基于High-NA的下一代EUV設(shè)備每臺(tái)價(jià)格預(yù)計(jì)為5000億韓元（接近30億人民幣），是NA=0.33 EUV的2-3倍。三星計(jì)劃在2023年中期推出High-NA原型EUV，這是三星與臺(tái)積電競爭的策略，三星希望搶在臺(tái)積電前有限獲得High-NA***。

此外，根據(jù)專家提供的信息，三星副董事長李在镕在10月13日訪問ASML期間要求的“2020年9臺(tái)EUV***”中，至少有4臺(tái)將在2020年抵達(dá)三星，其余5臺(tái)預(yù)計(jì)將在2021年初被引入。此外。2021年后，尚不清楚是否會(huì)落實(shí)“每年20臺(tái)EUV設(shè)備”，但似乎將會(huì)引入類似數(shù)量的EUV***。

六、臺(tái)積電和三星EUV引進(jìn)計(jì)劃

綜上所述，經(jīng)計(jì)算，臺(tái)積電到2020年底已獲得61臺(tái)EUV，2021年后的五年間平均每年需引入58臺(tái)EUV***。同時(shí)，三星似乎從2020年底到2021年初已獲得9臺(tái)EUV***，并要求此后每年引入20臺(tái)。因此，估算到2021年后，臺(tái)積電和三星將總共每年需要約80臺(tái)EUV***。

根據(jù)三星的要求，如果按照作者的計(jì)算為臺(tái)積電引入EUV，那么將如下圖所示，到2025年底，三星將擁有119臺(tái)EUV***，臺(tái)積電將擁有353臺(tái)。此外三星可能早于臺(tái)積電安裝多個(gè)High-NA原型設(shè)備。

▲臺(tái)積電和三星擁有的EUV***數(shù)量預(yù)測（來源：每個(gè)公司的計(jì)劃和作者的預(yù)測）

問題在于，ASML是否每年可以生產(chǎn)和供應(yīng)約80臺(tái)EUV***。下面，文章將根據(jù)ASML過去向投資者公開的材料，來討論這種可能性。

七、ASML EUV生產(chǎn)計(jì)劃

下圖是ASML在2016年10月31日“Investor Day”期間向投資者們展示的信息。EUV***在ASML稱之為Cabin的潔凈室中生產(chǎn)。

由于一個(gè)Cabin生產(chǎn)一臺(tái)EUV***，因此增加Cabin的數(shù)量才能批量生產(chǎn)EUV***。

▲ASML EUV擴(kuò)增Cabin計(jì)劃的來歷資料（來源：為投資資本家發(fā)布基礎(chǔ)摘取自ASML簡介材料“ EUV行動(dòng)及其商業(yè)服務(wù)臺(tái)”，2016年10月31日）

從上圖可見，ASML在2014年有15個(gè)Cabin，2015年增加了10個(gè)Cabin至25個(gè)Cabin。之后可以看出，該計(jì)劃是根據(jù)需要來增加Cabin的數(shù)量，另據(jù)專家的信息，ASML到2020年將擁有35個(gè)Cabin。

下一個(gè)問題是，在一個(gè)Cabin中組裝一臺(tái)EUV，需要花費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間？

截至2016年，生產(chǎn)一臺(tái)EUV將花費(fèi)超過12個(gè)月的時(shí)間。這是因?yàn)锳SML在2016年僅交付了5臺(tái)EUV***，在2017年交付了10臺(tái)，在2018年交付了18臺(tái)。

ASML在2019年出貨了26臺(tái)EUV***，但可以估計(jì)25個(gè)Cabin中的每個(gè)Cabin在一年內(nèi)生產(chǎn)了一臺(tái)EUV。如果按35個(gè)Cabin中每個(gè)Cabin在一年內(nèi)生產(chǎn)一臺(tái)EUV來算，ASML在2020年可以交付36臺(tái)EUV***。

▲ASML EUV生產(chǎn)預(yù)測

那么，ASML能做什么來滿足2021年以后臺(tái)積電、三星總共70-80臺(tái)EUV***的需求？

突然將Cabin數(shù)量從35個(gè)增至80個(gè)是不可能的，那么別無選擇，只能縮短一臺(tái)EUV***的組裝時(shí)間。

直到2019，生產(chǎn)一臺(tái)EUV***似乎花了12個(gè)月的時(shí)間。但到2020年，在三星副董事長訪問后，EUV***出貨量又增加4臺(tái)，因此將總共出貨40臺(tái)。換句話說，每臺(tái)EUV***的組裝時(shí)間從12個(gè)月縮短至10個(gè)月。

如果35個(gè)Cabin的建設(shè)期為10個(gè)月，則可以生產(chǎn)42臺(tái)EUV***；如果建設(shè)期為8個(gè)月，則可以生產(chǎn)52臺(tái)；如果建設(shè)期為6個(gè)月，則可以生產(chǎn)70臺(tái)。

對縮短施工時(shí)間影響最大的部分，是卡爾·蔡司（Carl Zeiss）生產(chǎn)的用于EUV的光學(xué)鏡頭。根據(jù)有關(guān)人士的信息，卡爾·蔡司鏡的生產(chǎn)效率正在逐步提高，EUV生產(chǎn)的建設(shè)周期似乎正在縮短。

也就是，每年交付70臺(tái)EUV***，似乎并非不可能實(shí)現(xiàn)的事。

八、ASML的預(yù)測

在2018年11月8日“Investor Day”期間，ASML向投資者展示了2020年的EUV需求和預(yù)測，包括高需求和低需求兩種類型的預(yù)測，而實(shí)際情況接近高需求。

▲ASML的2020 EUV設(shè)備需求和引進(jìn)預(yù)測（來源：摘自ASML的投資者簡報(bào)材料“業(yè)務(wù)模型和資本分配策略”，2018年11月8日）

根據(jù)ASML的高需求預(yù)測，對EUV***的需求量為35臺(tái)，而引進(jìn)量為33臺(tái)。與之對照，2020年共交付了40臺(tái)EUV***。簡而言之，實(shí)際需求超出了ASML預(yù)測的高需求。

此外，ASML用上述材料預(yù)測了2025年EUV的需求和引入。在高需求下，high-NA預(yù)計(jì)為9臺(tái)+55臺(tái)，也就是說預(yù)計(jì)將總共有64臺(tái)EUV***的需求。

▲ASML的2025年EUV需求和引進(jìn)預(yù)測（來源：摘自ASML的投資者簡介材料“業(yè)務(wù)模型和資本分配策略”，2018年11月8日）

實(shí)際上，自2021年以來，臺(tái)積電和三星的總需求量約為80臺(tái)EUV***。而ASML早在兩年前就預(yù)測了64臺(tái)的需求量，因此對于ASML，是可能滿足超出預(yù)期的需求的。

由于2019年和2020年沒有“Investor Day”，因此目前尚不清楚ASML如何在過去兩年中調(diào)整其對EUV需求和采用量的預(yù)測。不過，為響應(yīng)自2018年以來向上修訂的需求，ASML將計(jì)劃縮短EUV設(shè)備的打造時(shí)間并增加Cabin數(shù)量。

結(jié)語：邏輯半導(dǎo)體縮放將繼續(xù)

綜上所述，盡管臺(tái)積電和三星對大約80臺(tái)EUV***的需求量不會(huì)立即得到完全響應(yīng)，但預(yù)計(jì)ASML在未來幾年內(nèi)將交付類似數(shù)量的EUV***。隨著EUV***數(shù)量增長，3nm和2nm將走向批量生產(chǎn)。

關(guān)于臺(tái)積電和三星的微縮化競爭，看來臺(tái)積電將在EUV成熟度和3nm的大規(guī)模生產(chǎn)方面處于領(lǐng)先地位。但三星計(jì)劃盡快推出High-NA，可能會(huì)在2nm之后恢復(fù)。

在邏輯半導(dǎo)體方面，imec的Myung Hee Na在IEDM2020上宣布了直至1nm的半導(dǎo)體路線圖。

▲邁向1nm制程的半導(dǎo)體路線圖（來源：imec）

根據(jù)該路線圖，邏輯半導(dǎo)體制程將發(fā)展向2nm、1.4nm、1nm乃至0.7nm，摩爾定律仍然存在。

臺(tái)積電和三星在2nm之后的微縮化競爭中將占據(jù)主導(dǎo)地位？還是會(huì)出現(xiàn)黑馬？我們將繼續(xù)關(guān)注EUV和使用該技術(shù)的微縮化。