[原创] 新一轮EUV光刻机争夺战开打
2022-01-20
14:00:04
来源: 半导体行业观察
在全球范围内，作为EUV光刻机的唯一供应商，ASML在业内受到的关注度越来越高，特别是以台积电为代表的先进制程发展得风生水起的当下，ASML的重要性与日俱增。
本周，ASML发布了2021第四季度和全年财报，内容是一如既往的亮眼。该公司2021年第四季度营收为50亿欧元，净利润为18亿欧元，毛利率54.2%，新增订单金额71亿欧元，其中，26亿欧元来自0.33 NA（数值孔径）和0.55 NA EUV系统订单；2021年全年营收达186亿欧元，其中，63亿欧元来自于42台EUV系统，全年净利润59亿欧元，毛利率52.7%。
ASML还公布了2022年第一季度财测，预估营收净额约33亿到35亿欧元，预估2022全年的营收净额可比2021年增长约20%。
EUV光刻机重要性愈加凸出
EUV光刻机的波长比现有的氟化氩 (ArF) 曝光短1/14，这有利于实现半导体最先进制程的实现。近年来，对10nm以下先进制程的需求不断增长，也增加了EUV曝光设备的供应。由于EUV设备加工复杂，ASML年产量也很小。最近，ASML 正专注于提高其产能和供应量。
由于市场对最先进制程工艺的需求增加和客户群的扩大，EUV光刻机供应的数量将持续增长。预计两年内累计供应量将增加一倍以上。
据统计，在2020年第三季度~2021年第二季度这四个季度内，ASML共向市场出货了40 台EUV设备，比前四个季度（2019年第三季度~2020年第二季度）的24台增长了66%。
具体来看，7nm~5nm逻辑芯片（以每月45000片晶圆计算）需要一台 EUV 设备来绘制一个EUV层。16nm以下DRAM（以每月10万片计算）一层需要1.5~2台EUV设备。作为全球最大的存储芯片供应商，三星电子计划将14nm DDR5 DRAM 的 EUV 应用层数从 1 层增加到5层，而SK海力士也计划增加EUV应用层数，这些将推动对EUV设备需求的增长。
另外，继三星电子在2018年首次引入 7nm 工艺的 EUV 设备后，台积电和 SK 海力士也进入了 EUV 竞争，市场规模一直在扩大，因为美国的美光和英特尔也在推动引入 EUV 设备。
对于这样的市场需求，ASML首席执行官 Peter Wennink表示，“我们计划2022年将EUV设备的产量增加到55台，并在2023年增加到60台。” 两年后，将有超过240台EUV设备投入市场，超过迄今为止的累计供应量。
新版本EUV光刻机呼之欲出
目前，每台EUV设备都有超过 100,000 个零组件，它们需要40个货运集装箱或四架大型喷气式飞机来运输，每个价值约1.4亿美元。
为了满足不断进化的先进制程，ASML正在研发更先进的EUV光刻机，主要体现在高NA上。
与目前的EUV设备相比，更高NA意味着更大、更昂贵且更复杂。高NA设备具有更高的分辨率，这将使芯片特征缩小1.7倍，芯片密度增加2.9倍。这可以使客户减少流程步骤的数量，还可以显着减少缺陷、成本和芯片生产周期。
新的EUV设备，其NA值将从0.33 提升至0.55，以实现更高分辨率的图案化。
据悉，第一台高NA设备仍在开发中，预计2023年开始提供抢先体验，以便芯片制造商可以开始试验并学习如何使用它。客户可以在2024年将它们用于自己的研发，从2025 年开始，这些高NA的EUV设备有望用于芯片量产。
更高的NA值允许在机器内部产生更宽的EUV光束，然后再照射晶圆。该光束越宽，照射晶圆时的强度就越大，从而提高打印线条的准确度。这反过来又可以实现更小的几何形状和更小的间距，从而增加密度。
ASML的新设备将允许芯片制造商制造2nm及以下制程的芯片。
不过，高NA设备意味着高昂的价格，据悉，每台NA值为0.55的EUV设备价格将达到3 亿美元，是现有EUV设备的两倍，并且，它还需要复杂的新镜头技术。
目前，制造先进制程（如5nm、3nm）芯片的厂商不得不依赖双重或三重图案技术，这很耗时，而使用高NA EUV设备，他们能够在单层中打印这些特征，从而缩短周转时间并提高工艺灵活性。
先进EUV争夺战打响
EUV光刻机，特别是最新设备的客户是台积电、三星、英特尔、SK海力士和美光，目前来看，前三家对于ASML产能的争夺愈演愈烈。
上周，台积电公布其资本支出高达400亿到440亿美元，且首度揭露用于2nm先进制程投资，这也意味台积电在2nm有重大突破，并下单采购高NA的EUV，以投入2nm研发及试产。台积电供应链透露，台积电内部规划2nm试产部队将于今年第四季度正式成军。
据悉，台积电已经获得了目前市场上供应的EUV设备的一半。台积电拥有约50台EUV设备。鉴于EUV设备的独家供应体系，快速确保设备安全将成为三星和SK海力士等半导体制造商面临的挑战。
有消息显示，三星也在紧急抢购一台高NA EUV，并要ASML直接拉到三星工厂内进行测试，创下ASML直接出货到客户厂内再测试的首例，可见台积电与三星在先进制程竞赛的激烈程度。
三星表示，该公司将于2022上半年推出3nm制程，三星电子副会长李在镕假释出狱后，立即宣布未来3年投入240兆韩元(约2050亿美元) ，巩固该公司在后疫情时代科技产业的优势地位，称该公司下一代制程节点3nm制程采用GAA（Gate-All-Around）技术不会输给竞争对手台积电。
三星强调，与5nm制程相比，其首颗3nm制程GAA工艺芯片面积将缩小35%，性能提高 30% 或功耗降低 50%。三星称其3nm制程良率正在逼近4nm制程，预计2022 年推出第一代3nm 3GAE技术，2023年推出新一代3nm 3GAP技术，2025年2nm 2GAP 制程投产。这些对先进EUV设备的需求将不断提升。
目前，三星正在抢购更多的EUV光刻机，以缩小与台积电之间的数量差距。据统计，截止2020年，台积电的EUV光刻机数量约40台，三星则是18台左右，不到台积电的一半。预计2022年三星会购入大概18台EUV光刻机，拉近与台积电之间的数量差距，总数将达到台积电的60%左右。
根据台积电年报信息，3nm基于EUV技术展现优异的光学能力，与符合预期的芯片良率，以减少曝光机光罩缺陷及制程堆栈误差，并降低整体成本，2nm及更先进制程上将着重于改善极紫外光技术的质量与成本。
台积电积极与ASML紧密合作，不仅取得EUV设备数量有优势，其设备技术的开发致关重要，这也是其能超越三星、英特尔的关键原因之一。
2021年，英特尔宣布重返晶圆代工市场，并在同年7月正式宣布推出先进制程技术蓝图，计划在未来4年推出5个新世代芯片制程技术，并宣布将原本的10 nm Enhanced SuperFin正名为Intel 7，原先的7nm正名为Intel 4，之后分别为Intel 3、Intel 20A、Intel 18A 等，也就是说2025年就会达到2nm制程的领域，目标是赶超台积电。
为了实现这一目标，英特尔在争夺ASML最先进EUV光刻机方面不遗余力。
本周，英特尔宣布领先于台积电和三星订购了ASML的TWINSCAN EXE:5200光刻机。这是ASML正在开发的高NA EUV光刻机，单台价格将达到3亿美元。据悉，其吞吐量超每小时220片晶圆。按照ASML的规划，TWINSCAN EXE:5200最快将于2024年底投入使用，用于验证，2025年开始用于芯片量产。
四年前，英特尔也是第一个下单ASML第一代0.55 NA光刻机EXE:5000的公司。
和0.33NA光刻机相比，0.55NA的分辨率从13nm升级到8nm，可以更快更好地曝光更复杂的集成电路图案，突破0.33NA单次构图32nm到30nm间距的极限。EXE:5000有望率先用于3nm制程，EXE:5200则很可能用于英特尔未来的20A或者18A制程。
结语
2022年，随着3nm制程的量产，市场对先进EUV光刻机的需求量进一步提升，未来的2nm、1nm，以及更先进制程不断迭代，为更先进EUV设备的研发提供着动力，同时难度也在不断增加，产量恐怕会愈加吃紧，相应的设备争夺战将会更加激烈。
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