EUV光刻機已經成為芯片制造的支柱，臺積電和三星等晶圓廠這幾年不斷追逐5nm和3nm等先進工藝，本身就是EUV光刻機采購大戶，再加上現在這幾大晶圓廠紛紛擴產建廠，無疑又加大了對EUV光刻機的需求。而現在除了晶圓廠等邏輯廠商之外，存儲廠商也逐漸來到光刻機采用階段，甚至與ASML簽下多年的大單。EUV光刻機的爭奪戰(zhàn)，逐漸白熱化。
晶圓廠擁抱EUV光刻機，英特爾加倍重視
多個研究表明，在三大晶圓廠中，英特爾是迄今為止購買的 EUV工具相對較少，并且尚未開始購買這些極其昂貴、交貨時間非常長、供應受限的系統(tǒng)。據Mizuho Securities Asia Limited的一份關于ASML的報告，其預測了EUV客戶臺積電、三星、英特爾的購買情況，如下圖所示，相對來說，英特爾處于落后地位，這與其在工藝節(jié)點的落后有關。ASML 宣布，其在 2020 年出貨了31臺EUV工具。雖然這表明 EUV 現已達到成熟，但仍低于其 35 臺出貨計劃。然而，未能達標的部分原因是英特爾有據可查的 7nm 延遲：這減少了 ASML四個單位的出貨量。
圖源：Mizuho證券股票研究估計
據了解，只有那些 7nm 或以下的晶圓廠才真正需要基于 EUV光刻機。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和高端服務器（開發(fā)代號為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領先的制造工廠，這將是“EUV 能力”，這意味著他們將能夠生產7nm 及以下的芯片。通過引入EUV光刻技術，同時將制造外包給臺積電來爭取時間，這似乎是試圖重建公司內部開發(fā)和制造體系的嘗試。
而在日前參加摩根大通的會議時，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EUV工藝進行多代重大改進，也能看到晶體管級別的重大改進。這也是因為英特爾來到7nm之后，將有更多晶圓（芯片中的層）使用 EUV 進行曝光。而目前只有十幾個最關鍵的層使用 EUV 進行曝光，這就是英特爾“全面擁抱 EUV”的意思。
臺積電和三星兩家一直在追逐先進工藝，在EUV光刻機上的布局要多于英特爾。而且臺積電和三星均將在美國建廠，這些工廠也都需要EUV光刻機。
據wccftech的報道，臺積電的潔凈室供應商江西漢唐系統(tǒng)集成有限公司在4月份發(fā)表的聲明中，提供了有關臺積電美國芯片廠設備進展的一些初步細節(jié)。該工廠將建在亞利桑那州，也是英特爾的所在地。漢唐董事長陳朝水先生概述了該工廠的合同將于7月完成，設備安裝將于明年9月開始。
臺積電在上個月的技術研討會上分享了其亞利桑那工廠的渲染圖。圖片：臺積電
fanuan System Technology是臺積電為荷蘭ASML極紫外（EUV）光刻機生產組件的合作伙伴，該公司也將派工程師前往亞利桑那州，預計該工廠的營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。根據臺積電上個月在其技術研討會上分享的詳細信息，該晶圓廠在全球擁有所有這些機器的一半，并負責去年所有基于 EUV 的芯片的 65%的出貨量。
今年5月，據韓國媒體報道，三星電子已決定在德克薩斯州奧斯汀建設 EUV 半導體晶圓廠，這將是該公司首次在韓國以外的國家擁有 EUV 生產線。該公司做出這一決定是為了滿足對更小的芯片日益增長的需求以及拜登總統(tǒng)重組該國半導體供應鏈的計劃。公司計劃今年第三季度破土動工，2024年開始運營，據悉該廠將采用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。而就在今年5月，ASML與韓國中央和地方政府簽署了一份協議，將投資2400億韓元（2.11億美元），到 2025 年在京畿道華城建立 EUV 產業(yè)集群。
隨著英特爾開始全面擁抱EUV光刻機，EUV光刻機的搶奪將更加白熱化。雖然ASML 正在擴大生產，但到目前為止，他們只出貨了100多臺EUV機器，這是另一個潛在的瓶頸。
存儲廠商也來到EUV光刻機時代
過往，邏輯廠商在工藝上一直處于先進地位，也是使用EUV光刻機的大戶。但是現在存儲廠商的發(fā)展也來到了使用EUV光刻機階段。
此前一直表示不會采用EUV光刻的美光，也扛不住來到了EUV光刻時代，近日據韓媒報道，美光計劃到 2024 在其制造工廠中實施極紫外 （EUV） 光刻，在1γ（Gamma）節(jié)點的有限的層數中部署 EUV，然后會將其擴展到具有更大層采用率的1δ（Delta）節(jié)點。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財年第三季度財報電話會議上表示：“我們一直說我們會監(jiān)控 EUV 的進展。我們實際上參與了 EUV 評估。我們過去使用過 EUV 工具。所以我們一直說，當我們看到 EUV 平臺以及生態(tài)系統(tǒng)變得更加成熟時，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。美光已將21財年的資本支出增加到略高于 95 億美元，其中就包含這些EUV的預付款。
2021年2月1日，SK海力士完成首個用于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引進了EUV光刻設備。SK海力士計劃使用尖端設備從今年下半年開始生產第四代10納米DRAM產品，即1a-nm DRAM。
除此之外，SK海力士已與 ASML簽署了一份價值 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)，按照最先進的EUV曝光設備預計每臺約200億日元，本次合同金額為采購20臺以上的規(guī)模（支付金額包括安裝費用等）。
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）光刻技術的1z-nm工藝的DRAM已經完成了量產。半導體分析機構TechInsights拆解了采用EUV光刻技術和ArF-i光刻技術的三星1z-nm工藝DRAM，它認為該技術提升了三星的生產效率，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，D3x 到 D1z（圖源：TechInsights）
三星 DRAM 單元 D/R 趨勢，D3x 到 D1z（圖源：TechInsights）
至此，存儲三巨頭三星、SK海力士、美光都已加碼投資EUV光刻機，EUV光刻機需求不斷增加，而ASML的產能有限，預計各家公司將競相采購設備。
“千呼萬喚”的下一代EUV光刻機
多年來，芯片制造商使用基于光學的 193nm 波長光刻掃描儀來對芯片中最先進的功能進行圖案化。通過多重圖案化，芯片制造商已將 193 納米光刻技術擴展到 10/7 納米。但是在 5nm 處，當前的光刻技術已經失去動力。所以EUV光刻機就被推上歷史舞臺，這將NA（breaking index）從大約 1.0 提高到大約1.35納米。
ASML的EUV光刻機目前使用的還是第一代，EUV光源波長在13.5nm左右，物鏡的NA數值孔徑是0.33，發(fā)展了一系列型號。但是，現在第一代的EUV光刻機的NA指標太低，解析度不夠。所以在第一代EUV光刻機你爭我搶的局面下，下一代光刻機也在被呼喚。
在ASML的規(guī)劃中，第二代EUV光刻機的型號將是NXE：5000系列，其物鏡的NA將提升到0.55，進一步提高光刻精度，半導體工藝想要突破1nm制程，就必須靠下一代光刻機。不過這也將更加昂貴，其成本超過一架飛機，預計成本超過 3 億美元。
但下一代high-NA EUV 的演進卻不是那么容易，未來工藝節(jié)點向高數值孔徑（“high NA”）光刻的過渡不僅需要來自系統(tǒng)供應商（例如 ASML）的巨大工程創(chuàng)新，還需要對合適的光刻膠材料進行高級開發(fā)。EUV 光刻演化的一個經常被低估的方面是相應光刻膠材料的相應開發(fā)工作，尋找合適的光刻膠必須與系統(tǒng)開發(fā)同時進行。詳細的技術細節(jié)請查看《下一代的EUV光刻，準備好了嗎？》
High-NA EUV光刻系統(tǒng)將始于N2、N2+技術節(jié)點，ASML預計將在2022年完成第一臺High-NA EUV光刻機系統(tǒng)的驗證，并計劃在2023年交付給客戶。ASML宣布，它現在預計High-NA 設備將在 2025 年或 2026 年（由其客戶）進入商業(yè)量產。如三星、臺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：
盡管EUV也將被用于DRAM（尤其是1a技術節(jié)點及以下），但邏輯先進制程仍是主要需求方。然而在技術冷戰(zhàn)中，中國卻得不到這些EUV光刻機。邏輯制程已被卡在10nm級別，隨著存儲開始使用EUV光刻機，國內如若解決不了光刻機的問題，那么DRAM也將被卡。
據喬治城大學安全與新興技術中心（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器。EUV光刻機對中國來說實際上已經成為芯片供應鏈的一個瓶頸，它的開發(fā)和生產涉及三大國家，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生光，而重要化學品和元件則來自日本。從中也可以看到供應鏈的全球化程度，這是任何一個想獨自在半導體領域取得大幅進步的國家都需要面對的現實。
