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EUV光刻机变数陡增

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最近,关于EUV光刻机,又有劲爆消息传出。

据外媒报道,有消息人士透露,由于美国施压,ASML向荷兰政府官员保证,在特殊情况下,该公司有能力远程瘫痪(remotely disable)台积电使用的EUV光刻机。知情人士称,ASML拥有“锁死开关”(kill switch),可以远端强制关闭EUV。

针对这一消息,有专家表示,远程瘫痪或关闭EUV,技术上是可行的。

由于全球90%的先进制程(7nm及以下)芯片都是在中国台湾生产制造的,因此,远程瘫痪EUV光刻机的消息在行业掀起了不小的波澜。

ASML是唯一一家有能力制造EUV设备的厂商,过去几年里,每年可生产约40台这样的设备。今年2月,该公司财务长Roger Dassen在接受采访时表示,计划2024年把产量提高到约60台,而一台EUV光刻机的价格高达2.3亿美元,这还只是新设备初代版本的价格,之后的更新版本会更贵。

01

台积电受益颇多

多年来,台积电是EUV设备的最大买家,也因为有了这些设备,使其不断巩固着晶圆代工龙头一哥的地位,特别是在先进制程方面,台积电积累了丰富的技术、工艺和经验,使其能够越来越从容、灵活地使用EUV光刻机,以提高生产率,并尽量降低使用成本。

2019年,台积电拥有全球42%的EUV光刻机安装量,2020年则增加到了50%。近几年,虽然三星和英特尔不断增加EUV设备购买量,台积电安装量的全球占比依然在上升,目前约为56%,到2024年底,该晶圆代工龙头的EUV光刻机数量有望比2019年增长10倍。

现在,台积电采用EUV设备生产的晶圆数量是2019年的30倍,与增加10倍的光刻机数量相比,其产量增长更为可观,这凸显出该龙头厂商在经过多年的使用和积累后,能够不断提高EUV的生产效率、缩短维修时间并减少总体停机时间。

EUV光刻系统的耗电量是非常大的,台积电通过未公开的节能技术,成功地将EUV光刻机的功耗降低了24%,该公司计划在2030年前将每台EUV设备的单位晶圆能效提高1.5倍。

02

越来越贵,台积电也发愁

虽然EUV光刻机是个好东西,特别是对于7nm以下的先进制程来说,它是不可或缺的,但是,随着系统越来越复杂,这些设备的价格越来越昂贵,即使是台积电这样的龙头企业,也不能再像以前那样任意购买了。

最近,台积电高级副总裁Kevin Zhang在阿姆斯特丹的一个技术研讨会上表示,新的high-NA(高数值孔径)EUV光刻机成本非常高,短期内不考虑采用。

ASML推出的这款最新EUV光刻机可以8nm的分辨率刻印集成电路,然而,这一堪称“人类科技巅峰”的设备,每台耗资高达3.5亿欧元(约3.8亿美元),重量则相当于两架空客A320,运输和装配非常复杂。

与ASML生产的标准款EUV光刻机相比,新的high-NA EUV设备的最大特点就是使用了更大的数值孔径,high-NA EUV采用0.55NA镜头,能够实现8nm级别的分辨率,而标准EUV使用的是0.33NA镜头。因此,这种新产品能够在晶圆上刻印出更小的特征尺寸,它对于2nm及以下制程芯片研发和生产至关重要。

然而,不断上升的成本使得3nm及以下制程芯片制造进程变得更加困难。台积电的KevinZhang表示,该公司的A16制程(1.6nm)将于2026年底推出,但不会使用high-NA EUV光刻机,可以继续依赖台积电旧款的EUV设备。他表示:“我喜欢high-NA EUV的性能,但是否使用它将取决于它在哪个层面最具经济意义,以及我们能够实现的技术平衡。”

“经营一家大型芯片制造工厂的成本,包括建筑、设备、工具、电力和原材料等,而这些一直在上涨。这是整个行业所面临的共同挑战”,Kevin Zhang说。

03

美国搅局

近些年,美国在大力发展本土的芯片制造业,特别是先进制程工艺技术。为此,美国政府推出了多项扶持本土企业的优惠政策,以及资金支持,受惠最大的就是英特尔。

在美国政府高额补贴的支持下,英特尔正在大举进军晶圆代工市场,为了夺回曾经不可动摇的芯片制造技术优势,该公司将更多的资源放在了EUV光刻机上,成为了该消费市场的头号玩家。

2023年12月,ASML表示,已开始向英特尔交付第一台High-NA EUV系统的主要部件,被运往了英特尔位于俄勒冈州的D1X工厂,该公司在去年的一份声明中表示,D1X是开发和完善其未来芯片制造技术的关键设施。

英特尔CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)曾表示,他的公司将获得第一台这种新型设备,以表明其重返芯片制造技术最前沿的决心。

Oddo BHF分析师在一份报告中表示,ASML的第一款高数值孔径EUV设备名为Twinscan EXE:5200,售价约为2.5亿欧元(2.75亿美元)。分析师在与该公司会面后表示,第二代高数值孔径EUV设备称为EXE:5200B,将具有更高的生产率,其价格将超过3.5亿欧元。

在获得Twinscan EXE:5200之前,英特尔购买了EXE:5000,该公司使用它来学习如何更好地使用High-NA EUV设备,并用于18A制程工艺技术研发,积累经验。英特尔计划从 2025年开始使用Twinscan EXE:5200量产18A制程芯片。

由于高数值孔径与低数值孔径光刻机有许多不同之处,需要对基础设施进行大量更改,因此,在竞争对手之前部署Twinscan EXE:5200对英特尔来说是一个优势。一方面,该公司有足够的时间来调整其18A工艺技术,另一方面,可以调整High-NA基础设施。这些会使英特尔比台积电和三星更具优势。

据悉,2024年,ASML将生产10台High-NA EUV设备,英特尔将获得其中的6台。

除了英特尔,三星也在寻求获得高数值孔径EUV,三星电子副董事长兼设备解决方案部门负责人Kyung Kye-hyun表示,该公司与ASML就采购高数值孔径EUV达成了协议。

“三星已经确保了获得高数值孔径EUV设备技术的优先权”,Kyung Kye-hyun说:“我相信,从长远来看,我们创造了一个机会,可以优化高数值孔径技术在DRAM和逻辑芯片生产中的使用。”

04

抛售ASML股份

12年前,ASML为了维持运营,发行了有限投票权的股票给三大客户。2012年8月~9月,英特尔、三星、台积电一共投资了65亿美元给ASML,其中英特尔持有超过15%的股份,三星持有3%,台积电持有5%。

后来,ASML的股价一路狂飚,三星、台积电、英特尔不断减持ASML的股份套现,虽然减持,却还是保留了一部分,因为有了股东身份,有利于争夺EUV光刻机。

不过,2024年2月,有媒体报道称,三星已经将所持ASML的所有剩余股份卖光了,套现65亿元人民币。三星表示,要将套现的这笔钱,用于半导体工艺技术升级。

事实上,台积电也基本将ASML的股份卖光了,只有英特尔还留有一点点,但也非常少,几乎可以忽略了。

为何这三家大厂都选择抛售ASML的股份呢?

一方面,自然是因为投资赚到了大钱,当初的投资到现在至少赚了10倍。

另外,现在的EUV光刻机,似乎没以前那么香了,首先是ASML的产能提升了不少,不必像以前那么去抢了(High-NA EUV除外),同时,ASML的EUV光刻机,升级换代越来越难了,ASML之前表示,0.55 NA之后,很难再升级,也许是最后一代了,要升级可能也要到2030年了。

再有,硅基芯片已经发展到物理极限了,进步越来越难,后续可能会是光电芯片、碳基芯片、量子芯片等等,EUV光刻机的行业地位和前途并不像以前那么明朗了。

05

EUV市场变动,中国有可为

近些年,由于美国施压,ASML不能把EUV光刻机卖给中国大陆晶圆厂。

2024年1月,ASML公司证实,为遵从美国的管制措施,荷兰政府吊销了2023年颁发的NXT:2050i和NXT:2100i DUV(深紫外线)光刻系统出口许可证,影响了中国客户。

NXT:2050i是一款高生产率、双级浸润式DUV光刻机,专为在先进制程节点上批量加工12英寸晶圆而设计,NXT:2100i则是NXT:2050i的后续产品,配备了新的投影光学调节系统。

过去数年中,中国大陆是ASML的全球第三大市场,仅次于中国台湾和韩国。在2023年第三季度,中国大陆成了ASML光刻机最大出口市场,占到其销售总量的46%。

ASML前任CEO温尼克(Peter Wennink)在2023年10月对投资者表示,来自美国的限制措施将影响到该企业约15%的对华销售份额。今年4月,美国政府再度向荷兰施压,要求ASML限制对中国大陆部分设备提供服务。温尼克曾公开反对美国的限制措施,并警告说,这些限制会刺激中国开发新技术,对ASML构成竞争。他曾在接受媒体采访时说:“你给他们施加的压力越大,他们就越有可能加倍努力。”

确实如温尼克所说,限制会激发潜能。以2023年8月华为推出的Mate 60系列手机为例,当时,可以说震惊了全球半导体业,业内都在讨论用DUV设备制造先进制程芯片的话题,而这些芯片原本是需要用到EUV设备的。

其实,用DUV设备制造先进制程芯片,比使用EUV更复杂,例如,需要通过增加CVD层spacer实现自对准,以及四次曝光叠加才能完成第一层:Fin,精度要1nm左右,光是首层多重曝光就大幅提高了光刻成本,3~4个光罩加上四次浸没光刻,复杂且反复的光刻必将导致良率下降,这些都是成本啊。不过,有得就有失,在没有EUV光刻机的情况下,能够利用DUV设备制造出先进制程芯片,而且用时比人们想象的要短,已经很厉害了。

梁孟松先生在2020年辞职信里提到,3年多完成先进制程工艺研发的三级跳,依靠的不是EUV设备,而是工程师们在晶圆厂的know-how上面,做出了奇迹般的贡献和传递。

在全球EUV光刻机市场出现较大变局的当下(台积电不再依赖于最贵的新设备,美国和英特尔搅局,三大晶圆厂抛售ASML股份,以及ASML有能力远程瘫痪台积电EUV设备),中国可以有更多作为。

据悉,台积电将在2025年投入量产的2nm芯片,可能不再采用EUV激光,而是下一代技术PUV,也被称为软X射线技术,这是一种波长为6.5nm的铌激光技术,PUV设备是科学家用于拍摄原子化学物理现象的工具。据悉,该技术最初是由IBM研发的,美国工艺战略研究报告认为,这是美国超越台积电的重要机会。

在研发EUV光刻机的同时,中国也应该关注PUV的发展,并在必要时给予资源倾斜。

EUV光刻机解决的是芯片内部的性能和速度问题,而芯片与芯片之间的连接和通信也非常重要,芯片运行速度再快,也会受到芯片间信息传输的限制,这一点,近些年业界大厂越来越重视,例如,英伟达正在研发各种光传输技术,用于串联超级人工智能模型的大脑。

在全球EUV市场出现较大变化的当下,中国可以多管齐下,尽量做更多的技术研发和储备,以便能够应对将来出现的更大技术和市场变革。

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