光刻机争夺中，三星落后台积电的真正原因是什么？
众所周知 ， ASML是全球唯一一家能够提供尖端光刻设备(EUV)的厂家 ， 因此 ， 半导体厂商能够购买到的EUV设备数量是近期半导体微缩化竞争的焦点所在 。
三星电子李在镕副会长于10月13日紧急访问了荷兰的半导体设备厂家——ASML ， 并与ASML的CEO Peter Wennink先生、CTO Martin van den Brink先生进行了会谈 ， 且媒体《Business Korea》对此进行了报道 。
《Business Korea》在报道中指出 ， “双方就EUV设备(能否利用7纳米或者7纳米以下尖端工艺生产出尖端半导体 ， EUV设备是关键所在)的供给计划交换了意见”、双方还就AI芯片等未来半导体的新技术研发方面的合作、新冠肺炎之后的市场预测半导体技术战略进行了会谈” 。
但是 ， 笔者认为李副会长拜访ASML的目的不仅仅是交换意见、会谈 。那么 ， 真正的目的是什么呢?笔者认为有以下两点 。
1. 希望ASML给三星电子提供更多的EUV设备 。
2. 希望ASML协助三星电子更加顺利地使用已经购买的EUV设备 。
在采用了EUV的半导体微缩化方面 ， 台积电(TSMC)全球领先 。作为存储半导体的“冠军”——三星电子计划在2030年之前在逻辑半导体的生产方面赶上台积电 。但是 ， 从目前的状况来看 ， ASML无法按照计划为三星提供EUV设备 ， 此外 ， 对于三星已经引进的EUV量产设备 ， 似乎使用的也不是很顺利 。结果 ， 导致三星电子与台积电的差距愈来愈大 。
因此 ， 笔者预测 ， 觉察到危机的三星电子的李副会长与ASML的高层会晤 ， 就EUV的供给、已购入的EUV设备的使用 ， 向ASML寻求帮助 。
在本文中 ， 笔者首先叙述一下当下最尖端的半导体微缩化情况 。其次 ， 再说明ASML的EUV设备供给不足的情况 。此外 ， 再论述三星电子对EUV设备的使用熟练程度不及台积电 。另外 ， 笔者再论述李副会长访问ASML是否有效 。最后 ， 笔者指出 ， 在EUV方面 ， 三星电子的优势不及台积电 ， 即使李副会长访问ASML,也很难挽回现状 。
【光刻机争夺中，三星落后台积电的真正原因是什么？】 一、尖端逻辑半导体的现状
下图1是逻辑半导体、Foundry微缩化加工技术的蓝图 。图中的○△ x 是笔者添加的 ， 代表的意思如下：
○：其微缩化加工技术的R&D(研究、开发)已经完成 ， 且已经开始量产 ， 此外 ， 预计量产会顺利进行 。
△：其微缩化加工技术的R&D(研究、开发)在某种程度上完成了 ， 但并没有完全进入量产 。
×：其微缩化加工技术的R&D(研究、开发)并未完成 ， 此外 ， 虽然R&D的目标明确 ， 但仍未确立量产体制 。
台积电是全球微缩化加工技术最先进的厂家 ， 2019年量产了7nm+(将EUV技术应用于孔中) ， 且在2020年已经开始量产将EUV应用于排线层的5纳米 。此外 ， 已经完成3纳米的研发 ， 计划在2021年开始风险量产 。同时 ， 台积电计划在2024年实现2纳米的量产 ， 如今正在顺利地为之选择设备、材料 。如此可以看出 ， 新冠肺炎不仅没有对台积电的微缩化造成影响 ， 反而促进了台积电的研发 。
相比之下 ， 三星电子的情况如何呢?三星电子在2019年7月2日公布说新款Galaxy Note上的处理器——Exynos 9825是用7纳米(采用EUV)制造的 。后来 ， 2019年下半年公布6纳米、今年公布5纳米 ， 仅从数字来看 ， 三星电子绝不亚于台积电 。
笔者这么说的依据是三星电子的EUV技术不及台积电成熟、良率也不及台积电 ， 因此很难说三星电子的EUV批量生产技术很顺利 。其证据是三星没有成功获得NVIDIA的7纳米业务(其图像处理器GPU席卷全球) 。
综上所述 ， 我们可以得知三星电子和台积电的技术差异 ， 而技术差异产生的原因是什么呢?
二、台积电做了什么筹备来实现EUV的量产呢?
要熟练使用新设备 ， 需要花费相当长的时间 。尤其是使用全球最尖端的设备——EUV光刻机设备进行量产半导体产品 ， 直到避免Bug的出现 ， 需要花费的时间极其漫长 。
比方说 ， 笔者记得 ， 在九十年代初从事半导体技术员的时候 ， 从水银灯的i线曝光设备切换到KrF 量体(Excited Dimer)激光光源时 ， 花费了5年~6年的时间 。也就是说要熟练使用新设备 ， 这些时间是必须的 。
此外 ， 历经KrF、ArF干蚀、ArF液浸 ， 2019年迎来了EUV 。要熟练使用EUV设备 ， 台积电到底做了什么准备呢?台积电应该没有5年-6年的时间去为EUV的量产做准备 ， 那么 ， 台积电到底做了什么?
汇合多方信息 ， 台积电在2018年 ， 在7~8台EUV设备上每月投入了约6万~8万颗晶圆 ， 边处理Bug问题、边进行量产前的准备 。假设每月最大投入量为8万个 ， 台积电每年在EUV设备上投入了约100万颗晶圆 ， 且全部报废了 。基于以上这些巨量的准备工作 ， 终于在2019年量产了7nm+工艺(仅在孔部位实施EUV) ， 因此成功地将尖端工艺技术用在了华为的手机上 。
三、三星电子的EUV情况
要量产使用EUV设备 ， 需要花费大批量的时间和晶圆 ， 三星电子的情况如何呢?2018年三星电子旗下华城半导体工厂(三星的Foundry据点)引进了八台EUV设备 。
但是 ， 从Foundry的规模来看 ， 用12英寸晶圆来换算 ， 相对台积电的月产120万个(甚至更多)而言 ， 三星电子月产仅有30万个(虽然笔者不了解准确数字) 。此外 ， 按照这种规模来计算 ， 如果突然要量产使用EUV设备 ， 很有可能导致逻辑半导体全军覆灭 。
此外 ， 多位相关人士表示 ， 三星电子为了量产使用EUV设备 ， 已经挪用了多个DRAM的量产工厂 。三星电子拥有月产能约为50万个的大型DRAM工厂 。其中 ， 将月产3000个~1万个(最大)的工厂暂时用来EUV的“量产练习” 。
有多家媒体报道指出 ， 三星电子已经将EUV应用于最尖端的DRAM生产 ， 三星电子本身也在2020年5月20日的新闻中公布说 ， “用EUV生产的第四代10纳米级别的DRAM的出货数量达到了100万个” 。
但是 ， 我们不能完全相信!如今 ， 一个12英寸晶圆可以同时生产出约1500个DRAM 。因此 ， 晶圆数量为：100万个DRAM/1500=667个 ， 假设良率为80% ， 晶圆数量为：100万个DRAM/(1500*80%)=833个 。也就是说 ， 100万个DRAM是在月产为50万的大型DRAM产线上、以不足1000个的规模生产出来的 。因此 ， 三星电子提出的“已经生产了采用EUV技术的DRAM”虽然没有错 ， 但从业界常识来看 ， 很难得出“将EUV应用在了DRAM的量产上”这一结论 。
这种情况 ， 笔者认为“三星电子希望将EUV应用于逻辑半导体 ， 但无法确保实验场所 ， 于是暂时借用了大型的DRAM的产线 ， 很偶然做出了100万个DRAM” 。与台积电相比 ， 差距还很远 。
四、EUV设备数量差距持续拉大
如上所述 ， 在使用EUV的熟练程度上 ， 三星电子与台积电有很大的差距 。然而 ， 三星电子却提出了要在2030年之前在Foundry方面赶上台积电的目标 ， 且在为之努力 。因此 ， 三星在存储半导体的生产据点——平泽建设了EUV专用厂房(不是在Foundry的据点——华成) ， 据说三星电子的目标是在2025年之前引进约100台EUV设备 。
然而 ， 三星电子的这一计划却“触礁” 了 。理由是ASML的EUV设备产能完全赶不上半导体厂家的订单数量 。(如下图3)
全球唯一的EUV设备生产商——ASML在2015年出货了6台、2017年10台 ， 2018年18台 ， 2019年26台 ， 预计2020年出货36台 。然而 ， Open PO数量在不断增长 ， 在2020年的第二季度已经达到了56台 。
笔者认为 ， 在ASML 2020年出货的36台设备中大部分都是出给台积电的 。如果三星电子也购买了EUV设备 ， 最多也就是1~2台(如下图4) 。可以推测 ， 在2020年年末各家厂家持有的EUV设备数量如下 ， 台积电为61台 ， 三星电子最多为10台左右 。
后续台积电每年会引进约20-30台EUV设备 ， 预计在2025年末会拥有约185台EUV设备(甚至更多)(注) ， 另一方面 ， 三星电子的目标是在2025年末拥有约100台EUV设备 ， 从ASML的生产产能来看 ， 相当困难 。
(注):本稿发行后 ， 笔者又进行了调查发现 ， 2025年年末时间点 ， 台积电所持有的EUV光刻机数量远远多于185台 。
五、未来的展望
如上所述 ， 三星电子无法熟练操作使用EUV设备、且照此发展下去 ， 很难确保其引进的设备数量 。如果三星电子维持现状 ， 那么与台积电的差距将会越来越大 。为了打破这一危机情况 ， 如文章开头的《Business Korea》所述 ， 三星电子的真正Top——李副会长与ASML的CEO&CTO进行了直接会谈 。其会谈内容应该是“希望给三星电子提供更多的EUV设备”、“请协助三星电子熟练使用已经引进的EUV量产设备” 。
但是 ， 对于ASML而言 ， 其重要客户是台积电 。在2018年一整年 ， 台积电花费一年的时间、投入100万个晶圆 ， 不断试错 ， 并反馈给ASML ， 并进行改善、改良 ， 才使7nm+、5nm得以量产 。未来还要量产3纳米、2纳米 。苹果、AMD、高通、NVIDIA(未来也许还有英特尔)都在依赖着台积电的尖端工艺 。ASML的EUV设备肯定适用于尖端工艺、且会继续进步和发展 。
虽然三星电子的高层突然访问ASML ， ASML也不会忽视台积电而“亲近”三星电子 。但是 ， 这世界在何时、发生何事 ， 也都不好预测 。
那么 ， 关于未来台积电、三星电子、ASML的动向 ， 我们会持续关注 。
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