EUV光刻機(jī)已經(jīng)成為芯片制造的支柱，臺(tái)積電和三星等晶圓廠這幾年不斷追逐5nm和3nm等先進(jìn)工藝，本身就是EUV光刻機(jī)采購大戶，再加上現(xiàn)在這幾大晶圓廠紛紛擴(kuò)產(chǎn)建廠，無疑又加大了對(duì)EUV光刻機(jī)的需求。而現(xiàn)在除了晶圓廠等邏輯廠商之外，存儲(chǔ)廠商也逐漸來到光刻機(jī)采用階段，甚至與ASML簽下多年的大單。EUV光刻機(jī)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)，逐漸白熱化。

　　晶圓廠擁抱EUV光刻機(jī)，英特爾加倍重視

　　多個(gè)研究表明，在三大晶圓廠中，英特爾是迄今為止購買的 EUV工具相對(duì)較少，并且尚未開始購買這些極其昂貴、交貨時(shí)間非常長(zhǎng)、供應(yīng)受限的系統(tǒng)。據(jù)Mizuho Securities Asia Limited的一份關(guān)于ASML的報(bào)告，其預(yù)測(cè)了EUV客戶臺(tái)積電、三星、英特爾的購買情況，如下圖所示，相對(duì)來說，英特爾處于落后地位，這與其在工藝節(jié)點(diǎn)的落后有關(guān)。ASML 宣布，其在 2020 年出貨了31臺(tái)EUV工具。雖然這表明 EUV 現(xiàn)已達(dá)到成熟，但仍低于其 35 臺(tái)出貨計(jì)劃。然而，未能達(dá)標(biāo)的部分原因是英特爾有據(jù)可查的 7nm 延遲：這減少了 ASML四個(gè)單位的出貨量。

　　圖源：Mizuho證券股票研究估計(jì)

　　據(jù)了解，只有那些 7nm 或以下的晶圓廠才真正需要基于 EUV光刻機(jī)。而英特爾在3月份宣布，將從2023年開始使用其7nm工藝制造用于客戶端PC和高端服務(wù)器（開發(fā)代號(hào)為Meteor Lake和Granite Rapids）的處理器。英特爾將斥資 200 億美元在亞利桑那州建立兩個(gè)領(lǐng)先的制造工廠，這將是“EUV 能力”，這意味著他們將能夠生產(chǎn)7nm 及以下的芯片。通過引入EUV光刻技術(shù)，同時(shí)將制造外包給臺(tái)積電來爭(zhēng)取時(shí)間，這似乎是試圖重建公司內(nèi)部開發(fā)和制造體系的嘗試。

　　而在日前參加摩根大通的會(huì)議時(shí)，CEO基辛格又表示，Intel將全面擁抱EUV光刻工藝，大家能夠看到Intel對(duì)EUV工藝進(jìn)行多代重大改進(jìn)，也能看到晶體管級(jí)別的重大改進(jìn)。這也是因?yàn)橛⑻貭杹淼?nm之后，將有更多晶圓（芯片中的層）使用 EUV 進(jìn)行曝光。而目前只有十幾個(gè)最關(guān)鍵的層使用 EUV 進(jìn)行曝光，這就是英特爾“全面擁抱 EUV”的意思。

　　臺(tái)積電和三星兩家一直在追逐先進(jìn)工藝，在EUV光刻機(jī)上的布局要多于英特爾。而且臺(tái)積電和三星均將在美國建廠，這些工廠也都需要EUV光刻機(jī)。

　　據(jù)wccftech的報(bào)道，臺(tái)積電的潔凈室供應(yīng)商江西漢唐系統(tǒng)集成有限公司在4月份發(fā)表的聲明中，提供了有關(guān)臺(tái)積電美國芯片廠設(shè)備進(jìn)展的一些初步細(xì)節(jié)。該工廠將建在亞利桑那州，也是英特爾的所在地。漢唐董事長(zhǎng)陳朝水先生概述了該工廠的合同將于7月完成，設(shè)備安裝將于明年9月開始。

　　臺(tái)積電在上個(gè)月的技術(shù)研討會(huì)上分享了其亞利桑那工廠的渲染圖。圖片：臺(tái)積電

　　fanuan System Technology是臺(tái)積電為荷蘭ASML極紫外（EUV）光刻機(jī)生產(chǎn)組件的合作伙伴，該公司也將派工程師前往亞利桑那州，預(yù)計(jì)該工廠的營(yíng)收將從明年第三季度開始。可想，這家工廠也要采購EUV光刻機(jī)。根據(jù)臺(tái)積電上個(gè)月在其技術(shù)研討會(huì)上分享的詳細(xì)信息，該晶圓廠在全球擁有所有這些機(jī)器的一半，并負(fù)責(zé)去年所有基于 EUV 的芯片的 65%的出貨量。

　　今年5月，據(jù)韓國媒體報(bào)道，三星電子已決定在德克薩斯州奧斯汀建設(shè) EUV 半導(dǎo)體晶圓廠，這將是該公司首次在韓國以外的國家擁有 EUV 生產(chǎn)線。該公司做出這一決定是為了滿足對(duì)更小的芯片日益增長(zhǎng)的需求以及拜登總統(tǒng)重組該國半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的計(jì)劃。公司計(jì)劃今年第三季度破土動(dòng)工，2024年開始運(yùn)營(yíng)，據(jù)悉該廠將采用5nm工藝。該工藝是三星電子迄今為止商業(yè)化的最先進(jìn)工藝。

　　此外，三星電子李在镕去年10月訪問了ASML，顯然是為了獲得EUV光刻機(jī)。而就在今年5月，ASML與韓國中央和地方政府簽署了一份協(xié)議，將投資2400億韓元（2.11億美元），到 2025 年在京畿道華城建立 EUV 產(chǎn)業(yè)集群。

　　隨著英特爾開始全面擁抱EUV光刻機(jī)，EUV光刻機(jī)的搶奪將更加白熱化。雖然ASML 正在擴(kuò)大生產(chǎn)，但到目前為止，他們只出貨了100多臺(tái)EUV機(jī)器，這是另一個(gè)潛在的瓶頸。

　　存儲(chǔ)廠商也來到EUV光刻機(jī)時(shí)代

　　過往，邏輯廠商在工藝上一直處于先進(jìn)地位，也是使用EUV光刻機(jī)的大戶。但是現(xiàn)在存儲(chǔ)廠商的發(fā)展也來到了使用EUV光刻機(jī)階段。

　　此前一直表示不會(huì)采用EUV光刻的美光，也扛不住來到了EUV光刻時(shí)代，近日據(jù)韓媒報(bào)道，美光計(jì)劃到 2024 在其制造工廠中實(shí)施極紫外 （EUV） 光刻，在1γ（Gamma）節(jié)點(diǎn)的有限的層數(shù)中部署 EUV，然后會(huì)將其擴(kuò)展到具有更大層采用率的1δ（Delta）節(jié)點(diǎn)。旨在通過允許制造更小的芯片特征來保持摩爾定律的存在。

　　美光總裁兼首席執(zhí)行官Sanjay Mehrotra在公司21財(cái)年第三季度財(cái)報(bào)電話會(huì)議上表示：“我們一直說我們會(huì)監(jiān)控 EUV 的進(jìn)展。我們實(shí)際上參與了 EUV 評(píng)估。我們過去使用過 EUV 工具。所以我們一直說，當(dāng)我們看到 EUV 平臺(tái)以及生態(tài)系統(tǒng)變得更加成熟時(shí)，我們將在我們的路線圖中攔截 EUV。美光已從 ASML 訂購了多種 EUV 工具，”Mehrotra 證實(shí)。美光已將21財(cái)年的資本支出增加到略高于 95 億美元，其中就包含這些EUV的預(yù)付款。

　　2021年2月1日，SK海力士完成首個(gè)用于DRAM的EUV晶圓廠，它于2年前開始建造，位于京畿道利川園區(qū)的晶圓廠名為 M16，是該公司最大的晶圓廠。SK海力士首次為M16引進(jìn)了EUV光刻設(shè)備。SK海力士計(jì)劃使用尖端設(shè)備從今年下半年開始生產(chǎn)第四代10納米DRAM產(chǎn)品，即1a-nm DRAM。

　　除此之外，SK海力士已與 ASML簽署了一份價(jià)值 4.75 萬億韓元（43 億美元）的 5年合同，以采購極紫外 （EUV） 光刻系統(tǒng)，按照最先進(jìn)的EUV曝光設(shè)備預(yù)計(jì)每臺(tái)約200億日元，本次合同金額為采購20臺(tái)以上的規(guī)模（支付金額包括安裝費(fèi)用等）。

　　去年年初，三星電子宣布全球首次開發(fā)基于 ArF-i 的 D1z DRAM 和分別應(yīng)用其 EUVL 光刻 （EUVL） 的 D1z DRAM。今年2月份，三星電子基于極紫外（EUV）光刻技術(shù)的1z-nm工藝的DRAM已經(jīng)完成了量產(chǎn)。半導(dǎo)體分析機(jī)構(gòu)TechInsights拆解了采用EUV光刻技術(shù)和ArF-i光刻技術(shù)的三星1z-nm工藝DRAM，它認(rèn)為該技術(shù)提升了三星的生產(chǎn)效率，并減小了DRAM的核心尺寸。DRAM 單元尺寸和 D/R 縮放最近越來越難，但三星將 D1z 的 D/R 降低到 15.7 nm，比 D1y 縮小了 8.2%。據(jù)了解，三星還將繼續(xù)為下一代DRAM增加EUV步驟。

　　三星 DRAM 單元尺寸趨勢(shì)，D3x 到 D1z（圖源：TechInsights）

　　三星 DRAM 單元 D/R 趨勢(shì)，D3x 到 D1z（圖源：TechInsights）

　　至此，存儲(chǔ)三巨頭三星、SK海力士、美光都已加碼投資EUV光刻機(jī)，EUV光刻機(jī)需求不斷增加，而ASML的產(chǎn)能有限，預(yù)計(jì)各家公司將競(jìng)相采購設(shè)備。

　　“千呼萬喚”的下一代EUV光刻機(jī)

　　多年來，芯片制造商使用基于光學(xué)的 193nm 波長(zhǎng)光刻掃描儀來對(duì)芯片中最先進(jìn)的功能進(jìn)行圖案化。通過多重圖案化，芯片制造商已將 193 納米光刻技術(shù)擴(kuò)展到 10/7 納米。但是在 5nm 處，當(dāng)前的光刻技術(shù)已經(jīng)失去動(dòng)力。所以EUV光刻機(jī)就被推上歷史舞臺(tái)，這將NA（breaking index）從大約 1.0 提高到大約1.35納米。

　　ASML的EUV光刻機(jī)目前使用的還是第一代，EUV光源波長(zhǎng)在13.5nm左右，物鏡的NA數(shù)值孔徑是0.33，發(fā)展了一系列型號(hào)。但是，現(xiàn)在第一代的EUV光刻機(jī)的NA指標(biāo)太低，解析度不夠。所以在第一代EUV光刻機(jī)你爭(zhēng)我搶的局面下，下一代光刻機(jī)也在被呼喚。

　　在ASML的規(guī)劃中，第二代EUV光刻機(jī)的型號(hào)將是NXE：5000系列，其物鏡的NA將提升到0.55，進(jìn)一步提高光刻精度，半導(dǎo)體工藝想要突破1nm制程，就必須靠下一代光刻機(jī)。不過這也將更加昂貴，其成本超過一架飛機(jī)，預(yù)計(jì)成本超過 3 億美元。

　　但下一代high-NA EUV 的演進(jìn)卻不是那么容易，未來工藝節(jié)點(diǎn)向高數(shù)值孔徑（“high NA”）光刻的過渡不僅需要來自系統(tǒng)供應(yīng)商（例如 ASML）的巨大工程創(chuàng)新，還需要對(duì)合適的光刻膠材料進(jìn)行高級(jí)開發(fā)。EUV 光刻演化的一個(gè)經(jīng)常被低估的方面是相應(yīng)光刻膠材料的相應(yīng)開發(fā)工作，尋找合適的光刻膠必須與系統(tǒng)開發(fā)同時(shí)進(jìn)行。詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)請(qǐng)查看《下一代的EUV光刻，準(zhǔn)備好了嗎？》

　　High-NA EUV光刻系統(tǒng)將始于N2、N2+技術(shù)節(jié)點(diǎn)，ASML預(yù)計(jì)將在2022年完成第一臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)系統(tǒng)的驗(yàn)證，并計(jì)劃在2023年交付給客戶。ASML宣布，它現(xiàn)在預(yù)計(jì)High-NA 設(shè)備將在 2025 年或 2026 年（由其客戶）進(jìn)入商業(yè)量產(chǎn)。如三星、臺(tái)積電和英特爾等的客戶們也一直呼吁開發(fā)High-NA 生態(tài)系統(tǒng)以避免延誤。

　　“痛”結(jié)：

　　盡管EUV也將被用于DRAM（尤其是1a技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下），但邏輯先進(jìn)制程仍是主要需求方。然而在技術(shù)冷戰(zhàn)中，中國卻得不到這些EUV光刻機(jī)。邏輯制程已被卡在10nm級(jí)別，隨著存儲(chǔ)開始使用EUV光刻機(jī)，國內(nèi)如若解決不了光刻機(jī)的問題，那么DRAM也將被卡。

　　據(jù)喬治城大學(xué)安全與新興技術(shù)中心（Center for Security and Emerging Technology）研究分析師Will Hunt判斷：中國至少需要10年才能自主制造類似的機(jī)器。EUV光刻機(jī)對(duì)中國來說實(shí)際上已經(jīng)成為芯片供應(yīng)鏈的一個(gè)瓶頸，它的開發(fā)和生產(chǎn)涉及三大國家，它需要使用使用德國的反射鏡、以及在圣地亞哥開發(fā)的硬件，這種硬件通過用激光噴射錫滴來產(chǎn)生光，而重要化學(xué)品和元件則來自日本。從中也可以看到供應(yīng)鏈的全球化程度，這是任何一個(gè)想獨(dú)自在半導(dǎo)體領(lǐng)域取得大幅進(jìn)步的國家都需要面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。