深度丨EUV光刻機(jī)巨頭風(fēng)云爭(zhēng)奪戰(zhàn)

作者 | 方文三

各大巨頭在未來(lái)仍將圍繞High-NA EUV設(shè)備展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)相導(dǎo)入或宣布市場(chǎng)進(jìn)展，預(yù)示著半導(dǎo)體行業(yè)將迎來(lái)新一輪技術(shù)革新。

目前，英特爾、臺(tái)積電、三星、SK海力士等晶圓制造大廠已紛紛對(duì)High-NA EUV光刻機(jī)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的關(guān)注與行動(dòng)。

High-NA EUV光刻機(jī)到來(lái)，巨頭們承壓下角逐

如今，隨著ASML High-NA EUV光刻機(jī)的問(wèn)世，半導(dǎo)體行業(yè)迎來(lái)新的競(jìng)爭(zhēng)高潮。

ASML露面的High NA EUV光刻機(jī)，為2納米技術(shù)揭開(kāi)神秘面紗。

這一新一代光刻機(jī)的售價(jià)高達(dá)3.5億歐元，約合人民幣27億元，將成為全球三大晶圓制造廠實(shí)現(xiàn)2納米以下先進(jìn)制程大規(guī)模量產(chǎn)的必備設(shè)備。

然而，這一高性能光刻機(jī)的價(jià)格是當(dāng)前EUV光刻機(jī)的兩倍，從而帶來(lái)設(shè)備成本的大幅增加。

雖然這一技術(shù)將推動(dòng)芯片制造邁向2納米以下的先進(jìn)制程，但其高昂的成本也讓企業(yè)權(quán)衡再三。

高昂的設(shè)備成本成為各晶圓大廠的巨大負(fù)擔(dān)，目前0.33NA EUV光刻機(jī)售價(jià)約1.81億美元每臺(tái)。

如此高昂的價(jià)格，對(duì)半導(dǎo)體廠商而言無(wú)疑是一種巨大的負(fù)擔(dān)。

以英特爾為例，2023年英特爾代工業(yè)務(wù)虧損70億美元，其中采用下一代EUV光刻機(jī)而造成的成本負(fù)擔(dān)便是原因之一。

臺(tái)積電也曾多次指出下一代 EUV 設(shè)備價(jià)格太貴，甚至表示A16先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)并不一定需要 High NA EUV。

而困于良率瓶頸的三星，在如此高昂的設(shè)備成本面前同樣十分掙扎，在其SF1.4節(jié)點(diǎn)的宣傳中甚至都未提到High NA。

臺(tái)積電原計(jì)劃于2026年下半年開(kāi)始量產(chǎn)1.6納米制程技術(shù)，并隨后采用High-NA EUV技術(shù)。

臺(tái)積電：掌握主動(dòng)權(quán)優(yōu)勢(shì)，未來(lái)不激進(jìn)于最新一代

臺(tái)積電正在積極安裝對(duì)于先進(jìn)工藝至關(guān)重要的EUV光刻機(jī)，以應(yīng)付2nm工藝的量產(chǎn)，今年和明年將接收超過(guò)60臺(tái)EUV光刻機(jī)，投入的資金額超過(guò)4000億新臺(tái)幣（約合123億美元。

2024-2025年將接受60臺(tái)EUV光刻機(jī)，但也指出下一代EUV設(shè)備價(jià)格太貴，對(duì)成本有所顧慮。

雖然ASML方面已確認(rèn)將在2024年內(nèi)向臺(tái)積電交付High-NA EUV光刻機(jī)，但這一機(jī)臺(tái)僅用于制程開(kāi)發(fā)目的。

臺(tái)積電暫無(wú)在2025-2026年引入量產(chǎn)用High-NA EUV光刻機(jī)的規(guī)劃。

隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，這些設(shè)備的成本亦隨之攀升，即便是像臺(tái)積電這樣的行業(yè)巨頭，也難以像以往那樣毫無(wú)顧忌地進(jìn)行采購(gòu)。

在阿姆斯特丹舉行的一場(chǎng)技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電的高級(jí)副總裁Kevin Zhang明確指出，新型high-NA（高數(shù)值孔徑）EUV光刻機(jī)的成本極高，短期內(nèi)公司不會(huì)考慮引進(jìn)該技術(shù)。

臺(tái)積電計(jì)劃于2026年底推出的A16制程（1.6納米）將不會(huì)采用high-NA EUV光刻機(jī)，而是繼續(xù)依賴公司現(xiàn)有的EUV設(shè)備。

他強(qiáng)調(diào)：[雖然high-NA EUV技術(shù)的性能令人向往，但是否采用將基于其在經(jīng)濟(jì)層面的最優(yōu)化考量，以及我們?cè)诩夹g(shù)上能否達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。]

根據(jù)[晶圓廠設(shè)備制造商]的消息源，臺(tái)積電預(yù)計(jì)不會(huì)在其即將推出的2nm和1.4nm工藝節(jié)點(diǎn)上采用High NA機(jī)器，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)分別于2025年和2027年左右推出。

相反，臺(tái)積電計(jì)劃將High NA機(jī)器的采用推遲至1nm工藝，這可能需要大約六年的時(shí)間，這使得臺(tái)積電在采納最新芯片制造技術(shù)方面落后于其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?jǐn)?shù)年。

選擇Low NA還是High NA機(jī)器的關(guān)鍵在于掩模版的制作是采用單次曝光還是多次曝光。

Low NA機(jī)器需要多次曝光，這會(huì)增加缺陷出現(xiàn)的概率，從而降低產(chǎn)量。

而High NA機(jī)器僅需一次曝光即可完成，這降低了工藝的復(fù)雜性，減少了錯(cuò)誤發(fā)生的可能性，并且節(jié)省了制造過(guò)程的時(shí)間。

正如Tom所言，現(xiàn)有的13nm機(jī)器通過(guò)兩次曝光可以制作出與High NA 8nm機(jī)器單次曝光相同的掩模版。

鑒于此，技術(shù)升級(jí)并非保持行業(yè)領(lǐng)先地位的必要條件，這解釋了為何像臺(tái)積電這樣的公司可能會(huì)選擇等待一段時(shí)間。

相較于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，臺(tái)積電能夠借助持續(xù)的生產(chǎn)實(shí)踐累積寶貴的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并優(yōu)化其工藝流程，進(jìn)而構(gòu)建起一個(gè)[訂單驅(qū)動(dòng)-技術(shù)迭代-再獲訂單]的良性循環(huán)體系。

換言之，臺(tái)積電擁有一個(gè)極為龐大的優(yōu)質(zhì)客戶群，這些客戶協(xié)助他們調(diào)試各類設(shè)備的缺陷，這正是三星和英特爾所缺乏的。

英特爾：本土政策助力，率先訂購(gòu)新設(shè)備

此前因在EUV上的決策失誤，包括未采用 EUV 光刻技術(shù)以及[Tick-Tock]戰(zhàn)略的失敗，導(dǎo)致英特爾逐漸掉隊(duì)，市場(chǎng)份額被蠶食。

英特爾在過(guò)去幾年中，在10nm節(jié)點(diǎn)面臨各種困難，被臺(tái)積電及三星超越。

在EUV技術(shù)研發(fā)上，英特爾是全球重要推手，但在10nm節(jié)點(diǎn)沒(méi)有選擇EUV光刻，而是嘗試了新的SAQP四重曝光技術(shù)，目標(biāo)是不依賴EUV光刻機(jī)也能生產(chǎn)先進(jìn)工藝。

然而，SAQP曝光工藝非常復(fù)雜，成本高，隨著時(shí)間的推移，英特爾站在了錯(cuò)誤的一邊。

因此英特爾希望通過(guò)率先采用High-NA EUV光刻機(jī)，以保持對(duì)臺(tái)積電等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的持續(xù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

英特爾率先訂購(gòu)新型High-NA EUV設(shè)備EXE:5000，拿下全球首臺(tái)及第二臺(tái)設(shè)備，在最先進(jìn)光刻機(jī)導(dǎo)入上取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

英特爾已經(jīng)宣布購(gòu)買(mǎi)了5臺(tái)這種設(shè)備，用于在2025年生產(chǎn) 英特爾18A芯片。

在今年八月，英特爾公司宣布已成功接收并安裝調(diào)試了全球第二臺(tái)價(jià)值3.83億美元的High-NA EUV光刻機(jī)，該設(shè)備目前位于俄勒岡州的晶圓廠。

公司的目標(biāo)是在2026至2027年間實(shí)現(xiàn)英特爾14A制程技術(shù)的量產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升制程技術(shù)。

最終，英特爾公司計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)其代工業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)率達(dá)到收支平衡，并成為全球第二大晶圓代工廠。

然而，作為一款新型設(shè)備，High-NA EUV光刻機(jī)也使英特爾公司不得不面對(duì)設(shè)備折舊和量產(chǎn)攤銷成本的壓力，以平息外界的質(zhì)疑。

在2024年，英特爾的代工業(yè)務(wù)遭受了高達(dá)70億美元的虧損，虧損額度同比增加了34.6%。

面對(duì)持續(xù)的財(cái)務(wù)困境，英特爾決定將芯片制造與設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分拆，旨在削減成本，并且推遲了多項(xiàng)新工廠的建設(shè)規(guī)劃。

盡管面臨眾多挑戰(zhàn)，HighNA光刻機(jī)技術(shù)仍然是英特爾試圖扭轉(zhuǎn)局面的關(guān)鍵因素。

近年來(lái)，美國(guó)積極介入并推動(dòng)本國(guó)芯片制造業(yè)的發(fā)展，尤其在先進(jìn)制程技術(shù)領(lǐng)域。

美國(guó)政府為此實(shí)施了多項(xiàng)政策，旨在扶持國(guó)內(nèi)企業(yè)，并提供財(cái)政資助，其中英特爾公司受益頗豐。

得益于美國(guó)政府的高額補(bǔ)貼，英特爾正積極拓展晶圓代工市場(chǎng)，力圖重奪其在芯片制造技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

為此，公司特別加大了對(duì)EUV的投資，成為該技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先者。

在獲得Twinscan EXE：5200之前，英特爾已購(gòu)置了EXE：5000型號(hào)，用以掌握如何更高效地運(yùn)用高數(shù)值孔徑（High-NA）EUV設(shè)備，并在18A制程技術(shù)的研發(fā)上積累經(jīng)驗(yàn)。

英特爾計(jì)劃于2025年起，利用Twinscan EXE：5200開(kāi)始量產(chǎn)18A制程芯片。

鑒于高數(shù)值孔徑與低數(shù)值孔徑光刻機(jī)在技術(shù)上存在顯著差異，需要對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造。

因此，英特爾在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之前部署Twinscan EXE：5200，這為其帶來(lái)了戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。

一方面，公司有充足時(shí)間優(yōu)化其18A工藝技術(shù)，另一方面，也能夠調(diào)整高數(shù)值孔徑基礎(chǔ)設(shè)施。

這些舉措將使英特爾在與臺(tái)積電和三星的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。

三星：良品率滯后，期盼新設(shè)備帶來(lái)新技術(shù)突破

三星幾乎將追趕上臺(tái)積電的全部希望寄托于3納米工藝。

預(yù)計(jì)在2024年第三季度，三星的非內(nèi)存部門(mén)，包括晶圓代工和系統(tǒng)LSI等，虧損金額將超過(guò)一萬(wàn)億韓元。

此外，三星的3納米制程良率持續(xù)偏低，且尚未獲得主要客戶的青睞，近期還宣布將位于美國(guó)得州泰勒市的先進(jìn)代工晶圓廠的量產(chǎn)時(shí)間推遲至2026年。

綜合這些因素，三星在3納米時(shí)代超越臺(tái)積電的愿望似乎已徹底破滅。

因此，三星引進(jìn)High-NA EUV光刻機(jī)的消息表明，其將在下一代光刻技術(shù)領(lǐng)域與英特爾和臺(tái)積電展開(kāi)更為激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

三星電子半導(dǎo)體部門(mén)計(jì)劃今年年底和明年第一季度引進(jìn)High NA EUV設(shè)備[EXE:5000]，用于代工業(yè)務(wù)。

消息稱三星將于2025年初從ASML引進(jìn)High-NA EUV光刻機(jī)，預(yù)計(jì)2025年初到貨，最快2025年中旬開(kāi)始運(yùn)行。

三星最快將于年底引進(jìn)High-NA EUV機(jī)器，目標(biāo)是到2027年實(shí)現(xiàn)High-NA的全面商業(yè)化，并努力構(gòu)建相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)。

積極構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，與多家公司合作，包括 Lasertech、Synopsys、JSR等，為2027年Hi-NA 的全面商業(yè)化做準(zhǔn)備。

三星正在與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）公司合作設(shè)計(jì)新型光罩，包括用于High-NA EUV的彎曲（曲線）電路，以提高晶圓上印刷電路的清晰度。

此次合作包括半導(dǎo)體EDA工具全球領(lǐng)導(dǎo)者Synopsys 等公司。

此外，三星電子與ASML韓國(guó)合建半導(dǎo)體研發(fā)中心，預(yù)計(jì)自2027年起引進(jìn) High-NA 極紫外光（EUV）設(shè)備。

三星計(jì)劃于2025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米制程，并逐步將其應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

例如，2025年首先應(yīng)用于移動(dòng)領(lǐng)域，2026年擴(kuò)展至HPC應(yīng)用，2027年再擴(kuò)展至汽車領(lǐng)域。

三星的2納米制程節(jié)點(diǎn)采用了優(yōu)化的背面供電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，旨在降低供電電路對(duì)信號(hào)電路的干擾。

三星計(jì)劃利用自身設(shè)備加速先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)，并設(shè)定了到2027年實(shí)現(xiàn)1.4納米工藝商業(yè)化的宏偉目標(biāo)，這可能為1納米制程的生產(chǎn)鋪平道路。

據(jù)金奇炫透露，三星已與ASML公司就采購(gòu)高數(shù)值孔徑EUV設(shè)備達(dá)成了協(xié)議。

金奇炫強(qiáng)調(diào)：[三星已確保在獲取高數(shù)值孔徑EUV設(shè)備技術(shù)方面的優(yōu)先權(quán)。]

他進(jìn)一步闡述：[我堅(jiān)信，此舉將為我們提供一個(gè)長(zhǎng)期機(jī)遇，以優(yōu)化高數(shù)值孔徑技術(shù)在動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）及邏輯芯片生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。]

ASML也在為下一代High-NA EUV成本做考慮

繼High-NA EUV之后，ASML已經(jīng)開(kāi)始探索下一代Hyper-NA EUV設(shè)備，并尋求相應(yīng)的技術(shù)解決方案。

ASML的計(jì)劃是在2030年推出Hyper-NA EUV設(shè)備，其數(shù)值孔徑將達(dá)到0.75。

High-NA EUV技術(shù)預(yù)計(jì)將覆蓋2至1.4納米的工藝節(jié)點(diǎn)，而Hyper-NA EUV技術(shù)則有望在1至0.7納米工藝節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)推進(jìn)。

與High-NA EUV技術(shù)相比，Hyper-NA EUV技術(shù)在成本上更具優(yōu)勢(shì)，有望為半導(dǎo)體行業(yè)開(kāi)辟新的增長(zhǎng)路徑。

由于需要更大、更先進(jìn)的鏡片和改進(jìn)的照明系統(tǒng)，Hyper-NA將是一個(gè)成本更高的選擇。

為此ASML控制成本策略，以應(yīng)對(duì)每一代新芯片中每個(gè)晶體管價(jià)格上漲的趨勢(shì)。

為了加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程并降低成本，ASML已利用其現(xiàn)有的Low NA Twinscan NXE:3600 EUV機(jī)器作為新High NA機(jī)器的構(gòu)建模塊。

ASML的Low NA型號(hào)采用模塊化設(shè)計(jì)，使公司能夠利用成熟的技術(shù)和模塊為新工具服務(wù)，并且公司僅在必要時(shí)添加新模塊。

如同往常，成本是關(guān)鍵因素，但ASML顯然已經(jīng)在考慮如何使Hyper-NA定價(jià)方程對(duì)客戶更具吸引力。

結(jié)尾：

ASML的生產(chǎn)量有了顯著提升，不再像以往那樣需要爭(zhēng)先恐后地?fù)屬?gòu)（High-NA EUV除外）。

同時(shí)，ASML的EUV光刻機(jī)技術(shù)升級(jí)的難度日益增加，在0.55 NA之后，進(jìn)一步的升級(jí)將變得極為困難，可能成為該技術(shù)的最終版本，未來(lái)升級(jí)可能要推遲至2030年。

此外，硅基芯片技術(shù)已接近其物理極限，技術(shù)進(jìn)步愈發(fā)艱難，未來(lái)可能會(huì)轉(zhuǎn)向光電芯片、碳基芯片、量子芯片等新興技術(shù)，EUV光刻機(jī)在行業(yè)中的地位和前景已不如以往那般清晰。

部分資料參考：半導(dǎo)體行業(yè)觀察：《EUV光刻機(jī)爭(zhēng)奪戰(zhàn)，風(fēng)云突變》，半導(dǎo)體行業(yè)小報(bào)：《半導(dǎo)體光刻新紀(jì)元：HighNA EUV光刻機(jī)揭幕》，全球半導(dǎo)體觀察：《近500億元！EUV光刻機(jī)巨頭掙翻了》，半導(dǎo)體芯聞：《ASML發(fā)布財(cái)報(bào)，披露EUV光刻機(jī)新進(jìn)展》，半導(dǎo)體行業(yè)觀察：《EUV光刻機(jī)，創(chuàng)下新紀(jì)錄》，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫：《EUV光刻機(jī)變數(shù)陡增》