尖端邏輯半導(dǎo)體的現(xiàn)狀

三星電子李在镕副會長于10月13日緊急訪問了荷蘭的半導(dǎo)體設(shè)備廠家——ASML，并與ASML的CEO Peter Wennink先生、CTO Martin van den Brink先生進行了會談，且媒體《Business Korea》對此進行了報道。ASML是全球唯一一家能夠提供尖端光刻設(shè)備（EUV）的廠家，半導(dǎo)體廠商能夠購買到的EUV設(shè)備數(shù)量是近期半導(dǎo)體微縮化競爭的焦點所在。

《Business Korea》在報道中指出，“雙方就EUV設(shè)備（能否利用7納米或者7納米以下尖端工藝生產(chǎn)出尖端半導(dǎo)體，EUV設(shè)備是關(guān)鍵所在）的供給計劃交換了意見”、雙方還就AI芯片等未來半導(dǎo)體的新技術(shù)研發(fā)方面的合作、新冠肺炎之后的市場預(yù)測半導(dǎo)體技術(shù)戰(zhàn)略進行了會談”。

但是，筆者認為李副會長拜訪ASML的目的不僅僅是交換意見、會談。那么，真正的目的是什么呢？筆者認為有以下兩點。

1. 希望ASML給三星電子提供更多的EUV設(shè)備。

2. 希望ASML協(xié)助三星電子更加順利地使用已經(jīng)購買的EUV設(shè)備。

在采用了EUV的半導(dǎo)體微縮化方面，臺積電（TSMC）全球領(lǐng)先。作為存儲半導(dǎo)體的“冠軍”——三星電子計劃在2030年之前在邏輯半導(dǎo)體的生產(chǎn)方面趕上臺積電。但是，從目前的狀況來看，ASML無法按照計劃為三星提供EUV設(shè)備，此外，對于三星已經(jīng)引進的EUV量產(chǎn)設(shè)備，似乎使用的也不是很順利。結(jié)果，導(dǎo)致三星電子與臺積電的差距愈來愈大。

因此，筆者預(yù)測，覺察到危機的三星電子的李副會長與ASML的高層會晤，就EUV的供給、已購入的EUV設(shè)備的使用，向ASML尋求幫助。

在本文中，筆者首先敘述一下當(dāng)下最尖端的半導(dǎo)體微縮化情況。其次，再說明ASML的EUV設(shè)備供給不足的情況。此外，再論述三星電子對EUV設(shè)備的使用熟練程度不及臺積電。另外，筆者再論述李副會長訪問ASML是否有效。最后，筆者指出，在EUV方面，三星電子的優(yōu)勢不及臺積電，即使李副會長訪問ASML，也很難挽回現(xiàn)狀。

一、尖端邏輯半導(dǎo)體的現(xiàn)狀

下圖1是邏輯半導(dǎo)體、Foundry微縮化加工技術(shù)的藍圖。圖中的○△ x 是筆者添加的，代表的意思如下：

○：其微縮化加工技術(shù)的R&D（研究、開發(fā)）已經(jīng)完成，且已經(jīng)開始量產(chǎn)，此外，預(yù)計量產(chǎn)會順利進行。

△：其微縮化加工技術(shù)的R&D（研究、開發(fā)）在某種程度上完成了，但并沒有完全進入量產(chǎn)。

×：其微縮化加工技術(shù)的R&D（研究、開發(fā)）并未完成，此外，雖然R&D的目標(biāo)明確，但仍未確立量產(chǎn)體制。

臺積電是全球微縮化加工技術(shù)最先進的廠家，2019年量產(chǎn)了7nm+（將EUV技術(shù)應(yīng)用于孔中），且在2020年已經(jīng)開始量產(chǎn)將EUV應(yīng)用于排線層的5納米。此外，已經(jīng)完成3納米的研發(fā)，計劃在2021年開始風(fēng)險量產(chǎn)。同時，臺積電計劃在2024年實現(xiàn)2納米的量產(chǎn)，如今正在順利地為之選擇設(shè)備、材料。如此可以看出，新冠肺炎不僅沒有對臺積電的微縮化造成影響，反而促進了臺積電的研發(fā)。

相比之下，三星電子的情況如何呢？三星電子在2019年7月2日公布說新款Galaxy Note上的處理器——Exynos 9825是用7納米（采用EUV）制造的。后來，2019年下半年公布6納米、今年公布5納米，僅從數(shù)字來看，三星電子絕不亞于臺積電。

筆者這么說的依據(jù)是三星電子的EUV技術(shù)不及臺積電成熟、良率也不及臺積電，因此很難說三星電子的EUV批量生產(chǎn)技術(shù)很順利。其證據(jù)是三星沒有成功獲得NVIDIA的7納米業(yè)務(wù)（其圖像處理器GPU席卷全球）。

綜上所述，我們可以得知三星電子和臺積電的技術(shù)差異，而技術(shù)差異產(chǎn)生的原因是什么呢？

二、臺積電做了什么籌備來實現(xiàn)EUV的量產(chǎn)呢？

要熟練使用新設(shè)備，需要花費相當(dāng)長的時間。尤其是使用全球最尖端的設(shè)備——EUV光刻機設(shè)備進行量產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)品，直到避免Bug的出現(xiàn)，需要花費的時間極其漫長。

比方說，筆者記得，在九十年代初從事半導(dǎo)體技術(shù)員的時候，從水銀燈的i線曝光設(shè)備切換到KrF 量體（Excited Dimer）激光光源時，花費了5年~6年的時間。也就是說要熟練使用新設(shè)備，這些時間是必須的。

此外，歷經(jīng)KrF、ArF干蝕、ArF液浸，2019年迎來了EUV。要熟練使用EUV設(shè)備，臺積電到底做了什么準備呢？臺積電應(yīng)該沒有5年-6年的時間去為EUV的量產(chǎn)做準備，那么，臺積電到底做了什么？

匯合多方信息，臺積電在2018年，在7~8臺EUV設(shè)備上每月投入了約6萬~8萬顆晶圓，邊處理Bug問題、邊進行量產(chǎn)前的準備。假設(shè)每月最大投入量為8萬個，臺積電每年在EUV設(shè)備上投入了約100萬顆晶圓，且全部報廢了?；谝陨线@些巨量的準備工作，終于在2019年量產(chǎn)了7nm+工藝（僅在孔部位實施EUV），因此成功地將尖端工藝技術(shù)用在了華為的手機上。

三、三星電子的EUV情況

要量產(chǎn)使用EUV設(shè)備，需要花費大批量的時間和晶圓，三星電子的情況如何呢？2018年三星電子旗下華城半導(dǎo)體工廠（三星的Foundry據(jù)點）引進了八臺EUV設(shè)備。

但是，從Foundry的規(guī)模來看，用12英寸晶圓來換算，相對臺積電的月產(chǎn)120萬個（甚至更多）而言，三星電子月產(chǎn)僅有30萬個（雖然筆者不了解準確數(shù)字）。此外，按照這種規(guī)模來計算，如果突然要量產(chǎn)使用EUV設(shè)備，很有可能導(dǎo)致邏輯半導(dǎo)體全軍覆滅。

此外，多位相關(guān)人士表示，三星電子為了量產(chǎn)使用EUV設(shè)備，已經(jīng)挪用了多個DRAM的量產(chǎn)工廠。三星電子擁有月產(chǎn)能約為50萬個的大型DRAM工廠。其中，將月產(chǎn)3000個~1萬個（最大）的工廠暫時用來EUV的“量產(chǎn)練習(xí)”。

有多家媒體報道指出，三星電子已經(jīng)將EUV應(yīng)用于最尖端的DRAM生產(chǎn)，三星電子本身也在2020年5月20日的新聞中公布說，“用EUV生產(chǎn)的第四代10納米級別的DRAM的出貨數(shù)量達到了100萬個”。

但是，我們不能完全相信！如今，一個12英寸晶圓可以同時生產(chǎn)出約1500個DRAM。因此，晶圓數(shù)量為：100萬個DRAM/1500=667個，假設(shè)良率為80%，晶圓數(shù)量為：100萬個DRAM/（1500*80%）=833個。也就是說，100萬個DRAM是在月產(chǎn)為50萬的大型DRAM產(chǎn)線上、以不足1000個的規(guī)模生產(chǎn)出來的。因此，三星電子提出的“已經(jīng)生產(chǎn)了采用EUV技術(shù)的DRAM”雖然沒有錯，但從業(yè)界常識來看，很難得出“將EUV應(yīng)用在了DRAM的量產(chǎn)上”這一結(jié)論。

這種情況，筆者認為“三星電子希望將EUV應(yīng)用于邏輯半導(dǎo)體，但無法確保實驗場所，于是暫時借用了大型的DRAM的產(chǎn)線，很偶然做出了100萬個DRAM”。與臺積電相比，差距還很遠。

四、EUV設(shè)備數(shù)量差距持續(xù)拉大

如上所述，在使用EUV的熟練程度上，三星電子與臺積電有很大的差距。然而，三星電子卻提出了要在2030年之前在Foundry方面趕上臺積電的目標(biāo)，且在為之努力。因此，三星在存儲半導(dǎo)體的生產(chǎn)據(jù)點——平澤建設(shè)了EUV專用廠房（不是在Foundry的據(jù)點——華成），據(jù)說三星電子的目標(biāo)是在2025年之前引進約100臺EUV設(shè)備。

然而，三星電子的這一計劃卻“觸礁” 了。理由是ASML的EUV設(shè)備產(chǎn)能完全趕不上半導(dǎo)體廠家的訂單數(shù)量。（如下圖3）

全球唯一的EUV設(shè)備生產(chǎn)商——ASML在2015年出貨了6臺、2017年10臺，2018年18臺，2019年26臺，預(yù)計2020年出貨36臺。然而，Open PO數(shù)量在不斷增長，在2020年的第二季度已經(jīng)達到了56臺。

筆者認為，在ASML 2020年出貨的36臺設(shè)備中大部分都是出給臺積電的。如果三星電子也購買了EUV設(shè)備，最多也就是1~2臺（如下圖4）?？梢酝茰y，在2020年年末各家廠家持有的EUV設(shè)備數(shù)量如下，臺積電為61臺，三星電子最多為10臺左右。

后續(xù)臺積電每年會引進約20-30臺EUV設(shè)備，預(yù)計在2025年末會擁有約185臺EUV設(shè)備（甚至更多）（注），另一方面，三星電子的目標(biāo)是在2025年末擁有約100臺EUV設(shè)備，從ASML的生產(chǎn)產(chǎn)能來看，相當(dāng)困難。

（注）：本稿發(fā)行后，筆者又進行了調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2025年年末時間點，臺積電所持有的EUV光刻機數(shù)量遠遠多于185臺。

五、未來的展望

如上所述，三星電子無法熟練操作使用EUV設(shè)備、且照此發(fā)展下去，很難確保其引進的設(shè)備數(shù)量。如果三星電子維持現(xiàn)狀，那么與臺積電的差距將會越來越大。為了打破這一危機情況，如文章開頭的《Business Korea》所述，三星電子的真正Top——李副會長與ASML的CEO&CTO進行了直接會談。其會談內(nèi)容應(yīng)該是“希望給三星電子提供更多的EUV設(shè)備”、“請協(xié)助三星電子熟練使用已經(jīng)引進的EUV量產(chǎn)設(shè)備”。

但是，對于ASML而言，其重要客戶是臺積電。在2018年一整年，臺積電花費一年的時間、投入100萬個晶圓，不斷試錯，并反饋給ASML，并進行改善、改良，才使7nm+、5nm得以量產(chǎn)。未來還要量產(chǎn)3納米、2納米。蘋果、AMD、高通、NVIDIA（未來也許還有英特爾）都在依賴著臺積電的尖端工藝。ASML的EUV設(shè)備肯定適用于尖端工藝、且會繼續(xù)進步和發(fā)展。

雖然三星電子的高層突然訪問ASML，ASML也不會忽視臺積電而“親近”三星電子。但是，這世界在何時、發(fā)生何事，也都不好預(yù)測。未來我們將繼續(xù)關(guān)注臺積電、三星電子、ASML的動向。
責(zé)任編輯:pj