台積電掃貨 EUV 光刻機,三星為什麼落後了?

作者:半導體行業觀察/湯之上隆   |   2020 / 11 / 05

文章來源:虎嗅網   |   圖片來源:股感知識庫


三星電子李在鎔副會長於 10 月 13 日緊急拜訪了荷蘭的半導體設備廠家—— ASML ,並與 ASML 的 CEO Peter Wennink先生、CTO Martin van den Brink先生進行會談,且媒體《Business Korea》對此進行了報導。 ASML 是全球唯一一家能夠提供尖端光刻設備( EUV )的廠商,半導體廠商能夠購買到的 EUV 設備數量是近期半導體微縮化競爭的焦點所在。

《Business Korea》在報導中指出, “雙方就 EUV 設備(能否利用 7 奈米或者 7 奈米以下工藝生產出尖端半導體, EUV 設備是關鍵所在)的供給計劃交換了意見” 、雙方還就AI晶片等未來半導體的新技術研發方面的合作、新冠肺炎之後的市場預測半導體技術戰略進行了會談” 。

李在鎔 拜訪 ASML 的目的是?

但是,筆者認為李副會長拜訪 ASML 的目的不僅僅是交換意見、會談。那麼,真正的目的是什麼呢?筆者認為有以下兩點。

  1. 希望 ASML 給三星電子(Samsung, 005930-KR )提供更多的 EUV 設備。
  2. 希望 ASML 協助三星電子更加順利地使用已經購買的 EUV 設備。

在採用了 EUV 的半導體微縮化方面,台積電( 2330-TW )全球領先。作為半導體記憶體的 “冠軍” ——三星電子計劃在 2030 年之前在邏輯半導體的生產方面趕上台積電。但是,從目前的狀況來看, ASML 無法按照計劃為三星提供 EUV 設備,此外,對於三星已經引進的 EUV 設備,似乎使用得也不是很順利。結果,導致三星電子與台積電的差距愈來愈大。因此,筆者預測,覺察到危機的三星電子的李副會長與 ASML 的高層會晤,就 EUV 的供給、已購入的 EUV 設備的使用,向 ASML 尋求幫助。

在本文中,筆者首先敘述一下當下最尖端的半導體微縮化情況。其次,再說明 ASML 的 EUV 設備供給不足的情況。此外,再論述三星電子對 EUV 設備的使用熟練程度不及台積電。另外,筆者再論述李副會長拜訪 ASML 是否有效。最後,筆者指出,在 EUV 方面,三星電子的優勢不及台積電,即使李副會長拜訪 ASML ,也很難挽回現狀。

一、尖端邏輯半導體的現狀

下圖 1 是邏輯半導體、晶圓代工微縮化加工技術的藍圖。圖中的○△×是筆者自行增加的,代表的意思如下:

○:其微縮化加工技術的R&D (研究、開發)已經完成,且已經開始量產,此外,預計量產會順利進行。

△:其微縮化加工技術的R&D (研究、開發)在某種程度上完成了,但並沒有完全進入量產。

×:其微縮化加工技術的R&D (研究、開發)並未完成,此外,雖然R&D的目標明確,但仍未確立量產體制。

圖源:biz-journal

台積電是全球微縮化加工技術最先進的廠家, 2019 年量產了 7奈米 + (將 EUV 技術應用於孔中)晶片,且在 2020 年已經開始將 EUV 應用於 5 奈米晶片的量產。此外,已經完成 3 奈米的研發,計劃在 2021 年開始風險量產。同時,台積電計劃在 2024 年實現 2 奈米晶片的量產,如今正在為之選擇設備、材料。如此可以看出,新冠肺炎不僅沒有對台積電的微縮化造成影響,反而促進了台積電的研發。

相比之下,三星電子的情況如何呢?三星電子在 2019 年 7 月 2 日公佈新款 Galaxy Note 上的處理器—— Exynos 9825 是用 7 奈米工藝(採用 EUV )製造的。後來, 2019 年下半年公佈 6 奈米、今年公佈 5 奈米,僅從數字來看,三星電子絕不亞於台積電。

筆者這麼說的依據是三星電子的 EUV 技術不及台積電成熟、良率也不及台積電,因此很難說三星電子的 EUV 批量生產技術很順利。其證據是三星沒有成功獲得 NVIDIA 的 7 奈米業務(其圖像處理器 GPU 席捲全球)。綜上所述,我們可以得知三星電子和台積電的技術差異,而技術差異產生的原因是什麼呢?

二、使用 EUV 進行量產之前,台積電做了什麼準備呢?

要熟練使用新設備,需要花費相當長的時間。尤其是使用全球最尖端的設備—— EUV 光刻機設備進行量產半導體產品,直到避免錯誤的出現,需要花費的時間極其漫長。比方說,筆者記得,在九十年代初當半導體技術員的時候,從水銀燈的 i 線曝光設備切換到 KrF 量體(Excited Dimer)激光光源時,花費了 5 ~ 6 年的時間。也就是說要熟練使用新設備,這些時間是必須的。

圖源:biz-journal

此外,歷經 KrF 、ArF 乾蝕、ArF 液浸, 2019 年迎來了 EUV 。要熟練使用 EUV 設備,台積電到底做了什麼準備呢?台積電應該沒有 5 年~ 6 年的時間去為使用 EUV 進行量產做準備,那麼,台積電到底做了什麼?匯整多方資訊,台積電在 2018 年,在 7 ~ 8 台 EUV 設備上每月投入了約 6 萬~ 8 萬顆晶圓,邊處理問題、邊進行量產前的準備。假設每月最大投入量為 8 萬個,台積電每年在 EUV 設備上投入了約 100 萬顆晶圓,且全部報廢了。基於以上這些巨量的準備工作,終於在 2019 年量產了 7奈米 +工藝晶片(僅在孔部位實施 EUV ),成功地將尖端工藝技術用在了華為的手機上。

三、三星電子的 EUV 情況

要使用 EUV 設備進行量產,需要花費大量的時間和晶圓,三星電子的情況如何呢? 2018 年三星電子旗下華城半導體工廠(三星的晶圓代工據點)引進了八台 EUV 設備。但是,從晶圓代工的規模來看,用 12 英寸晶圓來換算,相對台積電的月產 120 萬個(甚至更多)而言,三星電子月產僅有 30 萬個(雖然筆者不了解準確數字)。此外,按照這種規模來計算,如果突然要量產使用 EUV 設備,很有可能導致邏輯半導體全軍覆沒。

此外,多位相關人士表示,三星電子為了量產使用 EUV 設備,已經挪用了多個 DRAM 的量產工廠。三星電子擁有月產能約為 50 萬個的大型 DRAM 工廠。其中,將月產 3,000 個~ 1 萬個(最大)的工廠暫時用來進行 EUV 的 “量產練習” 。有多家媒體報導指出,三星電子已經將 EUV 應用於最尖端的 DRAM 生產,三星電子本身也在 2020 年 5 月 20 日的新聞中公佈說, “用 EUV 生產的第四代 10 奈米級別的 DRAM 的出貨數量達到了 100 萬個” 。

但是,我們不能完全相信!如今,一個 12 英寸晶圓可以同時生產出約 1,500 個 DRAM 。因此,晶圓數量為: 100 萬個 DRAM / 1,500 = 667 個,假設良率為 80% ,晶圓數量為: 100 萬個 DRAM /( 1500 * 80% )= 833 個。也就是說, 100 萬個 DRAM 是在月產為 50 萬的大型 DRAM 產線上、以不足 1,000 個的規模生產出來的。因此,三星電子提出的 “已經生產了採用 EUV 技術的 DRAM ” 雖然沒有錯,但從業界常識來看,很難得出 “將 EUV 應用在了 DRAM 的量產上” 這一結論。

這種情況,筆者認為 “三星電子希望將 EUV 應用於邏輯半導體,但無法確保實驗場所,於是暫時藉用了大型的 DRAM 的產線,很偶然做出了 100 萬個 DRAM ” 。與台積電相比,差距還很遠。

四、 EUV 設備數量差距持續拉大

如上所述,在使用 EUV 的熟練程度上,三星電子與台積電有很大的差距。然而,三星電子卻提出了要在 2030 年之前在晶圓代工方面趕上台積電的目標,且正在努力。因此,三星在半導體記憶體的生產據點——平澤建設了 EUV 專用廠房(不是在晶圓代工的據點——華成),據說三星電子的目標是在 2025 年之前引進約 100 台 EUV 設備。然而,三星電子的這一計劃卻觸礁了。理由是 ASML 的 EUV 設備產能完全趕不上半導體廠家的訂單數量。(如下圖 3 )

圖源:biz-journal

全球唯一的 EUV 設備生產商—— ASML 在 2015 年出貨了 6 台、 2017 年 10 台, 2018 年 18 台, 2019 年 26 台,預計 2020 年出貨 36 台。然而,Open PO數量在不斷成長,在 2020 年的第二季度已經達到了 56 台。筆者認為,在 ASML 2020 年出貨的 36 台設備中大部分都是出給台積電的。如果三星電子也購買了 EUV 設備,最多也就是 1 ~ 2 台(如下圖 4 )。可以推測,在 2020 年年末各家廠家持有的 EUV 設備數量如下,台積電為 61 台,三星電子最多為 10 台左右。

圖源:biz-journal

後續台積電每年會引進約 20 ~ 30 台 EUV 設備,預計在 2025 年末將擁有遠多於 185 台 EUV 設備,另一方面,三星電子的目標是在 2025 年末擁有約 100 台 EUV 設備,從 ASML 的生產產能來看,相當困難。

五、未來的展望

如上所述,三星電子無法熟練操作使用 EUV 設備、且照此發展下去,很難確保其引進的設備數量。如果三星電子維持現狀,那麼與台積電的差距將會越來越大。為了打破這一危機情況,如文章開頭的《Business Korea》所述,三星李副會長與 ASML 的 CEO & CTO 進行直接會談。其會談內容應該是 “希望給三星電子提供更多的 EUV 設備” 、 “請協助三星電子熟練使用已經引進的 EUV 設備” 。

但是,對於 ASML 而言,其重要客戶是台積電。在 2018 年一整年,台積電花費一年的時間、投入 100 萬個晶圓,不斷試錯,並回饋給 ASML ,並進行改善、改良,才使 7奈米 +、 5奈米 晶片得以量產。未來還要量產 3 奈米、 2 奈米的晶片。蘋果(Apple, AAPL-US)、AMD(Advanced Micro Devices, AMD-US)、高通(Qualcomm, QCOM-US)、NVIDIA (未來也許還有英特爾(Intel, INTC-US))都在依賴著台積電的尖端工藝。 ASML 的 EUV 設備肯定適用於尖端工藝、且會繼續進步和發展。

雖然三星電子的高層突然拜訪 ASML , ASML 也不會忽視台積電而 “親近” 三星電子。但是,這世界在何時、發生何事,也都不好預測。未來我們將繼續關注台積電、三星電子、 ASML 的動向。

虎嗅網》授權轉載

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