隨著先進(jìn)制程芯片上量（包括邏輯芯片和存儲(chǔ)器），芯片制造端的高技術(shù)含量規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，其中，最具代表性的就是EUV光刻機(jī)，市場(chǎng)對(duì)其需求在未來幾年將大幅增加。

 

ASML預(yù)期今年EUV設(shè)備出貨量有望達(dá)到50臺(tái)，這已經(jīng)是一個(gè)非常可觀的數(shù)字了，即使如此，仍然供不應(yīng)求。隨著邏輯芯片及DRAM制程的演進(jìn)，單片晶圓EUV曝光光罩層數(shù)正在快速提升，其中先進(jìn)邏輯制程晶圓2021年EUV曝光層數(shù)平均已超過10層，2023年將超過20層。

 

據(jù)ASML預(yù)估，月產(chǎn)能達(dá)4.5萬片的7nm~3nm制程12吋晶圓廠，單片晶圓EUV光罩層數(shù)介于10～20層，EUV光刻機(jī)安裝數(shù)量達(dá)9～18臺(tái)；月產(chǎn)能達(dá)10萬片DRAM廠，單片晶圓EUV光罩層數(shù)介于1～6層，EUV光刻機(jī)安裝數(shù)量達(dá)2～9臺(tái)。這些將大量催生對(duì)EUV曝光設(shè)備的需求量，2025年之前的EUV光刻機(jī)需求將逐年創(chuàng)下新紀(jì)錄。

 

需求側(cè)不斷提升

 

目前，對(duì)EUV設(shè)備需求量最大的芯片廠商包括英特爾、臺(tái)積電、三星和SK海力士，未來幾年，這四巨頭對(duì)EUV的需求將持續(xù)增加。

 

 

顯然，先進(jìn)制程芯片龍頭臺(tái)積電對(duì)EUV光刻機(jī)的需求量最大，可以與英特爾做一下比較，到2023年，預(yù)計(jì)臺(tái)積電共擁有133臺(tái)EUV光刻機(jī)，而英特爾為20臺(tái)。

 

目前，臺(tái)積電占行業(yè)EUV設(shè)備安裝基礎(chǔ)和晶圓產(chǎn)量的一半，并計(jì)劃通過最先進(jìn)的3nm和2nm晶圓廠擴(kuò)大產(chǎn)能。

 

近幾年，臺(tái)積電一直在提升EUV設(shè)備采購數(shù)量，今年下半年以來，其5nm產(chǎn)能全開，包括蘋果A15應(yīng)用處理器及M1X／M2電腦處理器、聯(lián)發(fā)科及高通新款5G手機(jī)芯片、AMD的Zen 4架構(gòu)電腦及服務(wù)器處理器等將陸續(xù)導(dǎo)入量產(chǎn)。為了維持技術(shù)領(lǐng)先，臺(tái)積電由5nm優(yōu)化后的4nm將在明年進(jìn)入量產(chǎn)，全新3nm也將在明年下半年導(dǎo)入量產(chǎn)，EUV需求量可見一斑。

 

自2018年以來，ASML增加了EUV光刻機(jī)的產(chǎn)量，生產(chǎn)了約75臺(tái)，據(jù)說臺(tái)積電購買了其中的60%。

 

三星方面，其晶圓代工和先進(jìn)制程DRAM都需要EUV光刻機(jī)，而且數(shù)量逐年遞增，僅次于臺(tái)積電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三星目前擁有25臺(tái)EUV設(shè)備，數(shù)量約為臺(tái)積電的一半。

 

為了獲得更多的EUV設(shè)備，2020年10月，三星領(lǐng)導(dǎo)人、副董事長李在镕飛到ASML總部，商討穩(wěn)定采購EUV設(shè)備，據(jù)說訂購了大約20臺(tái)。一臺(tái)的價(jià)格超過200億韓元（1.77 億美元）。

 

根據(jù)三星2019年4月宣布的 Vision 2030，該公司計(jì)劃總投資133萬億韓元，希望成為全球頂級(jí)晶圓代工企業(yè)。該公司每年花費(fèi)10萬億韓元來開發(fā)芯片代工技術(shù)并購買必要的設(shè)備，特別是EUV光刻機(jī)，以追趕手臺(tái)積電。

 

再來看一下英特爾，前些年，該公司認(rèn)為EUV工藝不夠成熟，現(xiàn)在EUV光刻工藝已經(jīng)量產(chǎn)幾年了，英特爾開始跟進(jìn)，其新推出的Intel 4制程將全面導(dǎo)入EUV光刻機(jī)，之后的Intel 3、Intel 20A工藝會(huì)持續(xù)導(dǎo)入EUV。

 

2025年之后，該公司的制程工藝規(guī)劃到了Intel 18A，將使用第二代RibbonFET晶體管，EUV光刻機(jī)也會(huì)有一次重大升級(jí)，為此，英特爾表示將部署下一代High-NA EUV，有望率先獲得業(yè)界第一臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)。目前，該公司正與ASML密切合作，確保這一行業(yè)突破性技術(shù)取得成功，超越當(dāng)前一代EUV。

 

NA表示數(shù)值孔徑，從目前的最高值為0.33，今后將提升到0.5，據(jù)悉，ASML的NXE：5000系列將實(shí)現(xiàn)這樣的性能，之前預(yù)計(jì)是在2023年問世，現(xiàn)在推遲到了2025年，單臺(tái)售價(jià)預(yù)計(jì)將超過3億美元。

 

以上談的是邏輯芯片的生產(chǎn)，在存儲(chǔ)器方面，特別是DRAM，三星和 SK 海力士現(xiàn)在都在其DRAM生產(chǎn)中使用EUV設(shè)備，美光則表示計(jì)劃從2024年開始將EUV應(yīng)用于其DRAM生產(chǎn)。

 

供給側(cè)跟進(jìn)

 

隨著EUV光刻技術(shù)變得越來越重要，ASML的優(yōu)勢(shì)也越發(fā)明顯。不過，光刻機(jī)供貨商除ASML之外，還有日本廠商尼康（Nikon）和佳能（Canon），這兩家在深紫外線（DUV，光源波長比EUV長）的光刻技術(shù)上能與ASML競(jìng)爭，但ASML作為企業(yè)龍頭，在DUV光刻領(lǐng)域，也擁有62％的市場(chǎng)份額。

 

目前，雖然只有ASML一家能生產(chǎn)EUV光刻機(jī)，但由于其技術(shù)過于復(fù)雜，也需要與業(yè)內(nèi)的半導(dǎo)體設(shè)備廠商和科研機(jī)構(gòu)合作，才能生產(chǎn)出未來需要的更先進(jìn)EUV設(shè)備。

 

例如，不久前，東京電子（TEL）宣布，向imec-ASML聯(lián)合高 NA EUV 研究實(shí)驗(yàn)室推出其領(lǐng)先的涂布機(jī)，該設(shè)備將與 ASML 的下一代高NA EUV光刻系統(tǒng)NXE:5000 集成。

 

與傳統(tǒng)的 EUV 光刻相比，高 NA EUV 光刻有望提供更先進(jìn)的圖案縮放解決方案。被引入聯(lián)合高 NA 實(shí)驗(yàn)室的涂布機(jī)/顯影劑將具有先進(jìn)的功能，不僅與廣泛使用的化學(xué)放大抗蝕劑和底層兼容，而且還與旋涂含金屬抗蝕劑兼容。旋涂含金屬抗蝕劑已表現(xiàn)出高分辨率和高抗蝕刻性，有望實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖案化。然而，含金屬的抗蝕劑還需要精密的圖案尺寸控制以及芯片背面和斜面的金屬污染控制。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，安裝在聯(lián)合高 NA 實(shí)驗(yàn)室的涂布機(jī)/顯影劑配備了能夠處理含金屬抗蝕劑的前沿工藝模塊。

 

結(jié)合新的工藝模塊，TEL Coater/Developer 的單個(gè)單元可以在線處理多種材料，包括化學(xué)放大抗蝕劑、含金屬抗蝕劑和底層。這將實(shí)現(xiàn)靈活的晶圓廠運(yùn)營。

 

今年下半年，ASML推出了最新0.33數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)NXE：3600D，每小時(shí)曝光產(chǎn)量（throughput）預(yù)估可提升至160片，2023年再推出NXE：3800E可將每小時(shí)曝光產(chǎn)量提升到195～220片。

 

至于0.55高數(shù)值孔徑的下一代EUV技術(shù)預(yù)計(jì)2025年后進(jìn)入量產(chǎn)，支援1.5nm及1nm邏輯制程，以及最先進(jìn)的DRAM制程。

 

在今年第二季度的電話會(huì)議上，ASML 首席執(zhí)行官 Peter Wennink 表示，該公司計(jì)劃今年生產(chǎn)約40臺(tái)EUV光刻機(jī)，并將在2022 年擴(kuò)大到55臺(tái)，2023 年將產(chǎn)量增加到60臺(tái)。

 

要生產(chǎn)EUV設(shè)備，ASML需要從德國蔡司公司采購系統(tǒng)所需的鏡頭，然而，它每年可以采購的鏡頭數(shù)量有限，這導(dǎo)致系統(tǒng)的交貨時(shí)間很長。對(duì)此，Peter Wennink表示，該公司的EUV設(shè)備交付周期也將從之前的18至24個(gè)月縮短至12至 18個(gè)月。

 

Wennink 表示，其三大 DRAM 客戶都計(jì)劃使用 EUV 進(jìn)行量產(chǎn)。到 2021 年，這些公司預(yù)計(jì)將總共花費(fèi) 12 億歐元來購買 EUV 系統(tǒng)。他補(bǔ)充說，未來向這些公司的 EUV 出貨量將增加。

 

ASML已經(jīng)開始生產(chǎn)其NXE 3600D新型EUV設(shè)備，與之前的3400C相比，該系統(tǒng)的生產(chǎn)率提高了15%到20%，覆蓋率提高了30%。

 

今年第二季度，ASML的銷售額為40億歐元，凈利潤為10億歐元，比2020年第二季度分別增長20%和38%。該公司的訂單與上一季度相比增長了 75%，達(dá)到 83 億歐元，其中 49 億歐元用于EUV設(shè)備。

 

韓國占ASML銷售額的39%，其次是中國臺(tái)灣的35%。該公司預(yù)計(jì)2021年的銷售額將比 2020年增長35%。

 

結(jié)語

 

隨著芯片制程工藝的提升，臺(tái)積電和三星已采購大量EUV光刻機(jī)，存儲(chǔ)芯片制造商SK海力士也已開始采用EUV光刻機(jī)，未來5年也將大幅增加采購量，美光科技也計(jì)劃在2024年開始使用EUV設(shè)備。

 

四大芯片廠大量采購EUV設(shè)備，意味這該類光刻機(jī)的應(yīng)用比例在未來幾年將大幅提升，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。ASML的一名高管在一次EUV光刻機(jī)生態(tài)系統(tǒng)會(huì)議上表示，預(yù)計(jì)到2025年，全球晶圓廠運(yùn)行的光刻機(jī)中，EUV設(shè)備所占比例將超過60%。