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EUV光刻机争夺战,升级!

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)原创,作者:杜芹,谢谢。

EUV光刻机已经成为芯片制造的支柱,台积电和三星等晶圆厂这几年不断追逐5nm和3nm等先进工艺,本身就是EUV光刻机采购大户,再加上现在这几大晶圆厂纷纷扩产建厂,无疑又加大了对EUV光刻机的需求。而现在除了晶圆厂等逻辑厂商之外,存储厂商也逐渐来到光刻机采用阶段,甚至与ASML签下多年的大单。EUV光刻机的争夺战,逐渐白热化。

晶圆厂拥抱EUV光刻机,英特尔加倍重视

多个研究表明,在三大晶圆厂中,英特尔是迄今为止购买的 EUV工具相对较少,并且尚未开始购买这些极其昂贵、交货时间非常长、供应受限的系统。据Mizuho Securities Asia Limited的一份关于ASML的报告,其预测了EUV客户台积电、三星、英特尔的购买情况,如下图所示,相对来说,英特尔处于落后地位,这与其在工艺节点的落后有关。ASML 宣布,其在 2020 年出货了31台EUV工具。虽然这表明 EUV 现已达到成熟,但仍低于其 35 台出货计划。然而,未能达标的部分原因是英特尔有据可查的 7nm 延迟:这减少了 ASML四个单位的出货量。



图源:Mizuho证券股票研究估计

据了解,只有那些 7nm 或以下的晶圆厂才真正需要基于 EUV光刻机。而英特尔在3月份宣布,将从2023年开始使用其7nm工艺制造用于客户端PC和高端服务器(开发代号为Meteor Lake和Granite Rapids)的处理器。英特尔将斥资 200 亿美元在亚利桑那州建立两个领先的制造工厂,这将是“EUV 能力”,这意味着他们将能够生产7nm 及以下的芯片。通过引入EUV光刻技术,同时将制造外包给台积电来争取时间,这似乎是试图重建公司内部开发和制造体系的尝试。

而在日前参加摩根大通的会议时,CEO基辛格又表示,Intel将全面拥抱EUV光刻工艺,大家能够看到Intel对EUV工艺进行多代重大改进,也能看到晶体管级别的重大改进。这也是因为英特尔来到7nm之后,将有更多晶圆(芯片中的层)使用 EUV 进行曝光。而目前只有十几个最关键的层使用 EUV 进行曝光,这就是英特尔“全面拥抱 EUV”的意思。

台积电和三星两家一直在追逐先进工艺,在EUV光刻机上的布局要多于英特尔。而且台积电和三星均将在美国建厂,这些工厂也都需要EUV光刻机。

据wccftech的报道,台积电的洁净室供应商江西汉唐系统集成有限公司在4月份发表的声明中,提供了有关台积电美国芯片厂设备进展的一些初步细节。该工厂将建在亚利桑那州,也是英特尔的所在地。汉唐董事长陈朝水先生概述了该工厂的合同将于7月完成,设备安装将于明年9月开始。



台积电在上个月的技术研讨会上分享了其亚利桑那工厂的渲染图。图片:台积电

fanuan System Technology是台积电为荷兰ASML极紫外(EUV)光刻机生产组件的合作伙伴,该公司也将派工程师前往亚利桑那州,预计该工厂的营收将从明年第三季度开始。可想,这家工厂也要采购EUV光刻机。根据台积电上个月在其技术研讨会上分享的详细信息,该晶圆厂在全球拥有所有这些机器的一半,并负责去年所有基于 EUV 的芯片的 65%的出货量。

今年5月,据韩国媒体报道,三星电子已决定在德克萨斯州奥斯汀建设 EUV 半导体晶圆厂,这将是该公司首次在韩国以外的国家拥有 EUV 生产线。该公司做出这一决定是为了满足对更小的芯片日益增长的需求以及拜登总统重组该国半导体供应链的计划。公司计划今年第三季度破土动工,2024年开始运营,据悉该厂将采用5nm工艺。该工艺是三星电子迄今为止商业化的最先进工艺。

此外,三星电子李在镕去年10月访问了ASML,显然是为了获得EUV光刻机。而就在今年5月,ASML与韩国中央和地方政府签署了一份协议,将投资2400亿韩元(2.11亿美元),到 2025 年在京畿道华城建立 EUV 产业集群。

随着英特尔开始全面拥抱EUV光刻机,EUV光刻机的抢夺将更加白热化。虽然ASML 正在扩大生产,但到目前为止,他们只出货了100多台EUV机器,这是另一个潜在的瓶颈。

存储厂商也来到EUV光刻机时代

过往,逻辑厂商在工艺上一直处于先进地位,也是使用EUV光刻机的大户。但是现在存储厂商的发展也来到了使用EUV光刻机阶段。

此前一直表示不会采用EUV光刻的美光,也扛不住来到了EUV光刻时代,近日据韩媒报道,美光计划到 2024 在其制造工厂中实施极紫外 (EUV) 光刻,在1γ(Gamma)节点的有限的层数中部署 EUV,然后会将其扩展到具有更大层采用率的1δ(Delta)节点。旨在通过允许制造更小的芯片特征来保持摩尔定律的存在。

美光总裁兼首席执行官Sanjay Mehrotra在公司21财年第三季度财报电话会议上表示:“我们一直说我们会监控 EUV 的进展。我们实际上参与了 EUV 评估。我们过去使用过 EUV 工具。所以我们一直说,当我们看到 EUV 平台以及生态系统变得更加成熟时,我们将在我们的路线图中拦截 EUV。美光已从 ASML 订购了多种 EUV 工具,”Mehrotra 证实。美光已将21财年的资本支出增加到略高于 95 亿美元,其中就包含这些EUV的预付款。

2021年2月1日,SK海力士完成首个用于DRAM的EUV晶圆厂,它于2年前开始建造,位于京畿道利川园区的晶圆厂名为 M16,是该公司最大的晶圆厂。SK海力士首次为M16引进了EUV光刻设备。SK海力士计划使用尖端设备从今年下半年开始生产第四代10纳米DRAM产品,即1a-nm DRAM。

除此之外,SK海力士已与 ASML签署了一份价值 4.75 万亿韩元(43 亿美元)的 5年合同,以采购极紫外 (EUV) 光刻系统,按照最先进的EUV曝光设备预计每台约200亿日元,本次合同金额为采购20台以上的规模(支付金额包括安装费用等)。

去年年初,三星电子宣布全球首次开发基于 ArF-i 的 D1z DRAM 和分别应用其 EUVL 光刻 (EUVL) 的 D1z DRAM。今年2月份,三星电子基于极紫外(EUV)光刻技术的1z-nm工艺的DRAM已经完成了量产。半导体分析机构TechInsights拆解了采用EUV光刻技术和ArF-i光刻技术的三星1z-nm工艺DRAM,它认为该技术提升了三星的生产效率,并减小了DRAM的核心尺寸。DRAM 单元尺寸和 D/R 缩放最近越来越难,但三星将 D1z 的 D/R 降低到 15.7 nm,比 D1y 缩小了 8.2%。据了解,三星还将继续为下一代DRAM增加EUV步骤。



三星 DRAM 单元尺寸趋势,D3x 到 D1z(图源:TechInsights)



三星 DRAM 单元 D/R 趋势,D3x 到 D1z(图源:TechInsights)

至此,存储三巨头三星、SK海力士、美光都已加码投资EUV光刻机,EUV光刻机需求不断增加,而ASML的产能有限,预计各家公司将竞相采购设备。

“千呼万唤”的下一代EUV光刻机

多年来,芯片制造商使用基于光学的 193nm 波长光刻扫描仪来对芯片中最先进的功能进行图案化。通过多重图案化,芯片制造商已将 193 纳米光刻技术扩展到 10/7 纳米。但是在 5nm 处,当前的光刻技术已经失去动力。所以EUV光刻机就被推上历史舞台,这将NA(breaking index)从大约 1.0 提高到大约1.35纳米。

ASML的EUV光刻机目前使用的还是第一代,EUV光源波长在13.5nm左右,物镜的NA数值孔径是0.33,发展了一系列型号。但是,现在第一代的EUV光刻机的NA指标太低,解析度不够。所以在第一代EUV光刻机你争我抢的局面下,下一代光刻机也在被呼唤。

在ASML的规划中,第二代EUV光刻机的型号将是NXE:5000系列,其物镜的NA将提升到0.55,进一步提高光刻精度,半导体工艺想要突破1nm制程,就必须靠下一代光刻机。不过这也将更加昂贵,其成本超过一架飞机,预计成本超过 3 亿美元。

但下一代high-NA EUV 的演进却不是那么容易,未来工艺节点向高数值孔径(“high NA”)光刻的过渡不仅需要来自系统供应商(例如 ASML)的巨大工程创新,还需要对合适的光刻胶材料进行高级开发。EUV 光刻演化的一个经常被低估的方面是相应光刻胶材料的相应开发工作,寻找合适的光刻胶必须与系统开发同时进行。详细的技术细节请查看《下一代的EUV光刻,准备好了吗?》

High-NA EUV光刻系统将始于N2、N2+技术节点,ASML预计将在2022年完成第一台High-NA EUV光刻机系统的验证,并计划在2023年交付给客户。ASML宣布,它现在预计High-NA 设备将在 2025 年或 2026 年(由其客户)进入商业量产。如三星、台积电和英特尔等的客户们也一直呼吁开发High-NA 生态系统以避免延误。

“痛”结:

尽管EUV也将被用于DRAM(尤其是1a技术节点及以下),但逻辑先进制程仍是主要需求方。然而在技术冷战中,中国却得不到这些EUV光刻机。逻辑制程已被卡在10nm级别,随着存储开始使用EUV光刻机,国内如若解决不了光刻机的问题,那么DRAM也将被卡。

据乔治城大学安全与新兴技术中心(Center for Security and Emerging Technology)研究分析师Will Hunt判断:中国至少需要10年才能自主制造类似的机器。EUV光刻机对中国来说实际上已经成为芯片供应链的一个瓶颈,它的开发和生产涉及三大国家,它需要使用使用德国的反射镜、以及在圣地亚哥开发的硬件,这种硬件通过用激光喷射锡滴来产生光,而重要化学品和元件则来自日本。从中也可以看到供应链的全球化程度,这是任何一个想要独自在半导体领域取得大幅进步的国家都需要面对的现实。

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