全文如下：
最先進(jìn)的 EUV（極紫外線）光刻機(jī)始于 1997 年，其全面開發(fā)在 20 多年后的 2018 年第三季度。隨后，臺積電在 2019 年將 EUV 應(yīng)用于 7nm + 工藝量產(chǎn)，2020 年 5nm 的量產(chǎn)同樣采用了 EUV 技術(shù)。
湯之上隆在 2007 年第一次參加國際光刻技術(shù)博覽會（SPIE）時，有一個演示文稿展示了開發(fā) EUV 何其困難，如下圖所示。
▲2007 年 2 月在國際光刻技術(shù)會議 SPIE 上（來源：引用自 Anthony Yen，ASML，“ EUV 光刻及其在邏輯和存儲設(shè)備中的應(yīng)用”，VLSI 2020）
在銀河系的最右端是太陽系，這里有人類賴以生存的地球。然而，EUV 量產(chǎn)機(jī)與太陽系距離 10 萬光年，相距如此遙遠(yuǎn)，仿佛人類一生都無法觸達(dá)它們。十三年前，開發(fā) EUV 非常困難。
好在人類的智慧很美妙，來自世界各地的光刻技術(shù)研究者將智慧聚集起來，致力于解決每一個課題。結(jié)果在 2013 年左右，EUV 光源輸出這一大難題得以改善，有關(guān)人員稱 “EUV 正接近太陽系”；2016 年，EUV“跳入地球大氣層”，被期待已久的研發(fā)設(shè)備由荷蘭 ASML 公司推出。
目前 ASML 是唯一可以提供 EUV 光刻機(jī)的供應(yīng)商，其出貨量穩(wěn)步增長，2016 年出貨 5 臺、2017 年出貨 10 臺、2018 年出貨 18 臺、2019 年出貨 26 臺，湯之上隆預(yù)計，到 2020 年 ASML 將出貨 36 臺 EUV 光刻機(jī)。
▲ASML 的 EUV 光刻設(shè)備出貨量和積壓需求（來源：WikiChip、ASML 財務(wù)報告和一些作者的預(yù)測）
然而，ASML 似乎無法滿足先進(jìn)半導(dǎo)體制造商的訂單數(shù)量，訂單持續(xù)積壓，到 2020 年第二季度，其積壓需求數(shù)量似乎達(dá)到了 56 臺。
那么為什么會如此缺貨呢？
臺積電和三星電子（以下簡稱三星）是僅有的兩家使用 EUV 技術(shù)推進(jìn) 7nm 及更小制程研發(fā)的半導(dǎo)體制造商。由于這兩家公司的訂單數(shù)量巨大，因此認(rèn)為積壓的 EUV 光刻機(jī)訂單正在增加。
關(guān)于這兩家公司，作者曾在《三星董事長去世、令人驚訝的半導(dǎo)體業(yè)界 “三偉人”的意外共通點》一文寫道，臺積電自 2021 年依賴每年都需求 30 臺 EUV 光刻機(jī)，但這被低估了。三星副董事長李在镕于 2020 年 10 月 13 日訪問 ASML，并要求 ASML 在 2020 年交付 9 臺 EUV 光刻機(jī)、在 2021 年后每年交付 20 臺 EUV 光刻機(jī)。
▲半導(dǎo)體制造商擁有的 EUV 光刻機(jī)累計數(shù)量（來源：每個公司的計劃和作者預(yù)測）
作者認(rèn)為鑒于 ASML 的生產(chǎn)能力，這是不可能的，但他此前的預(yù)測很可能是錯誤的。
因此，在本文中，湯之上隆將解釋臺積電每年需要多少 EUV 光刻機(jī)及原因，以及三星旨在 2020 年趕上臺積電的 EUV 實施策略，還將討論 ASML 能否滿足臺積電和三星的需求。
首先陳述下結(jié)論，雖然對于臺積電和三星來說，這不是一個完整的答案，但 ASML 預(yù)計它將交付接近于這個數(shù)量的 EUV 光刻設(shè)備，助力這兩家公司繼續(xù)推動 3nm 及更小制程的演進(jìn)。
下圖顯示了按技術(shù)節(jié)點劃分的臺積電季度出貨量百分比。2020 年第三季度，其 5nm 占比為 8%、7nm 占比為 35%，5nm 和 7nm 共占 43%。由于其 5nm 的比例預(yù)計在未來會迅速增加，因此估計 2021 年 5nm 和 7nm 的總和將占臺積電總出貨量的大多數(shù)。
▲臺積電微縮化狀況（2020-Q3）（來源：作者根據(jù)臺積電的財務(wù)報告創(chuàng)建）
在 7nm 處，未采用 EUV 的 N7 工藝和采用 EUV 的 N7 + 工藝混合在一起，比例未知。采用 EUV 的 5nm 和 N7 + 的出貨價值正以比預(yù)期更快的速度迅速增長。
圍繞臺積電最先進(jìn)工藝的無晶圓廠（Fabless）產(chǎn)能爭奪戰(zhàn)如圖所示。頭部是蘋果，高通、NVIDIA、AMD、賽靈思、博通、聯(lián)發(fā)科、谷歌、亞馬遜等擠在一起，英特爾很可能會加入其中。
▲臺積電先進(jìn)工藝的無晶圓廠之戰(zhàn)
自 2020 年 9 月 15 日起，由于美國商務(wù)部加強(qiáng)出口限制，臺積電不能向中國華為公司供貨半導(dǎo)體產(chǎn)品，而華為約占臺積電總產(chǎn)值的 15%。不過這對臺積電幾乎沒有影響，反而其最先進(jìn)工藝的能力將來可能會不足。
特別是，臺積電的最新工藝嚴(yán)重依賴 EUV 設(shè)備，如果無法確保足夠的數(shù)量，則將難以承擔(dān)更多的無晶圓廠生產(chǎn)委托。
那么 2021 年后，臺積電需要多少臺 EUV 光刻機(jī)？
關(guān)于臺積電的微縮化和大規(guī)模生產(chǎn)，據(jù)了解，臺積電采用 EUV 技術(shù)的 N7 + 工藝從 2019 年開始量產(chǎn)，5nm 工藝在 2020 年量產(chǎn)，3nm 設(shè)備和材料選擇完成后將在 2021 年風(fēng)險生產(chǎn)、在 2022 年量產(chǎn)，2nm 設(shè)備和材料計劃在 2024 年開始量產(chǎn)。
目前尚不清楚 N7 + 的當(dāng)前月產(chǎn)能，5nm、3nm 和 2nm 的最終月產(chǎn)能以及這些技術(shù)節(jié)點的 EUV 層數(shù)。另外，尚不確切知道批量生產(chǎn)現(xiàn)場的 EUV 吞吐量（每小時處理的晶圓數(shù)量）和開工率。
在此，為了計算臺積電所需的 EUV 數(shù)量，請參閱 2020 VLSI 研討會上的 ASML 和 imec 公告，作者將試圖假設(shè)如下。
1、在大規(guī)模批量生產(chǎn)期間，每個制程節(jié)點的月生產(chǎn)能力設(shè)置為 170-190K（K = 1000）；
2、為啟動制程節(jié)點，決定在三個階段引入所需數(shù)量的 EUV 設(shè)備：試產(chǎn)、風(fēng)險生產(chǎn)和大規(guī)模量產(chǎn)；
3、大規(guī)模量產(chǎn)將分為第一階段和第二階段兩個階段進(jìn)行；
4、關(guān)于 EUV 層數(shù)，N7 + 對應(yīng) 5 層，5nm 達(dá) 15 層，3nm 達(dá) 32 層，2nm 達(dá) 45 層。
5、EUV 的平均產(chǎn)量為 80-90 個 / 小時，包括停機(jī)時間在內(nèi)的平均開工率為 70-90%，每一項的點點滴滴都會逐步改善。
基于上述假設(shè)，從 2020 年 – 2023 年，臺積電一年內(nèi)（想要）引入的 EUV 光刻機(jī)數(shù)量如下圖所示。
▲估算所需的臺積電 EUV 數(shù)量
首先，到 2020 年，當(dāng) 5nm 大規(guī)模生產(chǎn)及 3nm 試產(chǎn)啟動時，據(jù)計算將需要 35 臺新 EUV 光刻機(jī)，計算結(jié)果與圖 3 中的實際值幾乎相同。
到 2021 年，5nm 生產(chǎn)規(guī)模將擴(kuò)大，3nm 風(fēng)險生產(chǎn)將啟動，經(jīng)計算所需的新 EUV 光刻機(jī)數(shù)量達(dá) 54 臺；到 2022 年，當(dāng) 3nm 大規(guī)模生產(chǎn)、2nm 試產(chǎn)啟動，需要的新 EUV 光刻機(jī)數(shù)量被計算為 57 臺。
此外，到 2023 年，當(dāng) 3nm 生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、2nm 開始風(fēng)險生產(chǎn)時，所需新 EUV 光刻機(jī)數(shù)達(dá)到 58 臺。到 2024 年 2nm 大規(guī)模生產(chǎn)啟動及 2025 年生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大時，所需新 EUV 光刻機(jī)數(shù)被計算為 62 臺。
根據(jù)該假設(shè)得出的結(jié)論（可能是非常不確定的）是，臺積電在 2021 年 – 2025 年的五年內(nèi)總共需要 292 臺 EUV 光刻機(jī)，每年平均需新增 58 臺。
如果自 2021 年以后，臺積電每年平臺需要不到 60 臺 EUV 光刻機(jī)，ASML 是否能夠滿足這一需求？
三星的晶圓代工業(yè)務(wù)目前不及臺積電。根據(jù) TrendForce 在 10 月 5 日發(fā)布的晶圓代工市場份額預(yù)測，臺積電約占 55%，三星約占 16%。
▲2020 年晶圓代工市場份額預(yù)測（來源：TrendForce）
此外，三星 12 英寸晶圓的月產(chǎn)能估計約為 20 萬個，而臺積電月產(chǎn)能超過 120 萬個。盡管三星宣布它已采用 EUV 成功量產(chǎn) 7nm 和 5nm，但生產(chǎn)規(guī)模尚不清楚，是否真正大規(guī)模生產(chǎn)也令人懷疑。
聽說臺積電經(jīng)過培訓(xùn)后，在 2018 年內(nèi)每月在 7-8 臺 EUV 設(shè)備上投入 6 萬 – 8 萬個晶圓。假設(shè)每月最大數(shù)量為 8 萬，則 12 個月內(nèi)將有 96 萬個晶圓被曝光。基于這些巨量的準(zhǔn)備和試錯工作，臺積電終于在 2019 年成功將 EUV 用于 N7 + 量產(chǎn)。
另一方面，三星如何訓(xùn)練 EUV？
根據(jù)多方信息，三星正通過租用一條月產(chǎn)量約 50 萬個的大型 DRAM 生產(chǎn)線，將月產(chǎn)最大不超過 1 萬個的工廠暫時用于做 EUV 的量產(chǎn) “練習(xí)”。
實際上，有許多報道稱，三星正在將 EUV 應(yīng)用到最先進(jìn)的 DRAM 生產(chǎn)，三星本身也在 2020 年 5 月 20 日的新聞稿中表示：“用 EUV 生產(chǎn)的第四代 10nm 級 DRAM 已出貨 100 萬個。”
但是，我們不能真正接受這一點。目前，一個 12 英寸晶圓上可同時生產(chǎn)約 1500 個 DRAM，因此晶圓數(shù)量為 100 萬個 ÷1500 個 / 片 = 667 片。假設(shè)產(chǎn)率為 80%，則晶圓片數(shù)為 100 萬 ÷(1500 個 / 片 ×80%)= 833 片。換句話說，100 萬個 DRAM 是在一條月產(chǎn) 50 萬的大型 DRAM 生產(chǎn)線上、以不到 1000 個的規(guī)模生產(chǎn)出來的。
因此，說三星 “出貨了用 EUV 制造的 DRAM”沒有錯，但根據(jù)業(yè)界的常識，不能說 “將 EUV 應(yīng)用于 DRAM 的批量生產(chǎn)”。
三星在 2019 年宣布了 “Vision 2030”，計劃到 2030 年投入了 133 萬億韓元（約合近 8000 億人民幣）的巨額資金，聘請 15000 名碩士、博士等專業(yè)人才，設(shè)定了超越臺積電成為晶圓代工領(lǐng)導(dǎo)者的目標(biāo)。
▲三星代工 2030 年目標(biāo)資料（來源：三星代工業(yè)務(wù)高級副總裁 Shawn Han，“三星基金會成長戰(zhàn)略”，摘錄自 2020 年 11 月 30 日的投資者公告）
此外，如前所述，三星公司副董事長李在镕于 2020 年 10 月 13 日訪問了 ASML，并告訴 ASML 首席執(zhí)行官 Peter Wennink 和首席技術(shù)官 Martin van den Brink：“我們希望在 2020 年底之前引入 9 臺 EUV，在 2021 年之后每年引入 20 臺 EUV。”
但無論投入多少錢，湯之上隆認(rèn)為 ASML 承接臺積電的訂單已經(jīng)滿載，因此無法將 EUV 設(shè)備交付給三星。
如下圖所示，三星晶圓代工廠生產(chǎn)的最先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體，只能發(fā)現(xiàn)其智能手機(jī) Galaxy 系列的應(yīng)用處理器和 IBM 超級計算機(jī)的芯片。NVIDIA 和高通已將生產(chǎn)承包商更改為臺積電，可能是因為三星使用 EUV 批量生產(chǎn)的 7nm 和 5nm 良率不佳（但由于折扣很大，高通分單給了三星。）。
▲三星的先進(jìn)邏輯晶圓代工生產(chǎn)什么
這樣，三星與臺積電在 EUV 光刻設(shè)備的數(shù)量和成熟度、晶圓代工廠份額方面的差距不斷擴(kuò)大，投資 133 萬億韓元、聘用 15000 人的 “Vision 2030”計劃或?qū)⑹?。就在湯之上隆這么想時，事態(tài)又突然發(fā)生了變化。
2020 年 12 月 1 日的《韓國商業(yè)報》報道說，ASML 首席執(zhí)行官 Peter Wennink 等高管于 11 月底訪問了三星。在訪問期間的會議上，三星要求提供更多的 EUV 光刻機(jī)，并討論了關(guān)于下一代高數(shù)值孔徑（high-NA，NA=0.55）EUV 設(shè)備的合作。
基于 High-NA 的下一代 EUV 設(shè)備每臺價格預(yù)計為 5000 億韓元（接近 30 億人民幣），是 NA=0.33 EUV 的 2-3 倍。三星計劃在 2023 年中期推出 High-NA 原型 EUV，這是三星與臺積電競爭的策略，三星希望搶在臺積電前有限獲得 High-NA 光刻機(jī)。
此外，根據(jù)專家提供的信息，三星副董事長李在镕在 10 月 13 日訪問 ASML 期間要求的 “2020 年 9 臺 EUV 光刻機(jī)”中，至少有 4 臺將在 2020 年抵達(dá)三星，其余 5 臺預(yù)計將在 2021 年初被引入。此外。2021 年后，尚不清楚是否會落實 “每年 20 臺 EUV 設(shè)備”，但似乎將會引入類似數(shù)量的 EUV 光刻機(jī)。
綜上所述，經(jīng)計算，臺積電到 2020 年底已獲得 61 臺 EUV，2021 年后的五年間平均每年需引入 58 臺 EUV 光刻機(jī)。同時，三星似乎從 2020 年底到 2021 年初已獲得 9 臺 EUV 光刻機(jī)，并要求此后每年引入 20 臺。因此，估算到 2021 年后，臺積電和三星將總共每年需要約 80 臺 EUV 光刻機(jī)。
根據(jù)三星的要求，如果按照作者的計算為臺積電引入 EUV，那么將如下圖所示，到 2025 年底，三星將擁有 119 臺 EUV 光刻機(jī)，臺積電將擁有 353 臺。此外三星可能早于臺積電安裝多個 High-NA 原型設(shè)備。
▲臺積電和三星擁有的 EUV 光刻機(jī)數(shù)量預(yù)測（來源：每個公司的計劃和作者的預(yù)測）
問題在于，ASML 是否每年可以生產(chǎn)和供應(yīng)約 80 臺 EUV 光刻機(jī)。下面，文章將根據(jù) ASML 過去向投資者公開的材料，來討論這種可能性。
下圖是 ASML 在 2016 年 10 月 31 日 “Investor Day”期間向投資者們展示的信息。EUV 光刻機(jī)在 ASML 稱之為 Cabin 的潔凈室中生產(chǎn)。
由于一個 Cabin 生產(chǎn)一臺 EUV 光刻機(jī)，因此增加 Cabin 的數(shù)量才能批量生產(chǎn) EUV 光刻機(jī)。
▲ASML EUV 擴(kuò)增 Cabin 計劃的來歷資料（來源：為投資資本家發(fā)布基礎(chǔ)摘取自 ASML 簡介材料 “ EUV 行動及其商業(yè)服務(wù)臺”，2016 年 10 月 31 日）
從上圖可見，ASML 在 2014 年有 15 個 Cabin，2015 年增加了 10 個 Cabin 至 25 個 Cabin。之后可以看出，該計劃是根據(jù)需要來增加 Cabin 的數(shù)量，另據(jù)專家的信息，ASML 到 2020 年將擁有 35 個 Cabin。
下一個問題是，在一個 Cabin 中組裝一臺 EUV，需要花費幾個月的時間？
截至 2016 年，生產(chǎn)一臺 EUV 將花費超過 12 個月的時間。這是因為 ASML 在 2016 年僅交付了 5 臺 EUV 光刻機(jī)，在 2017 年交付了 10 臺，在 2018 年交付了 18 臺。
ASML 在 2019 年出貨了 26 臺 EUV 光刻機(jī)，但可以估計 25 個 Cabin 中的每個 Cabin 在一年內(nèi)生產(chǎn)了一臺 EUV。如果按 35 個 Cabin 中每個 Cabin 在一年內(nèi)生產(chǎn)一臺 EUV 來算，ASML 在 2020 年可以交付 36 臺 EUV 光刻機(jī)。
▲ASML EUV 生產(chǎn)預(yù)測
那么，ASML 能做什么來滿足 2021 年以后臺積電、三星總共 70-80 臺 EUV 光刻機(jī)的需求？
突然將 Cabin 數(shù)量從 35 個增至 80 個是不可能的，那么別無選擇，只能縮短一臺 EUV 光刻機(jī)的組裝時間。
直到 2019，生產(chǎn)一臺 EUV 光刻機(jī)似乎花了 12 個月的時間。但到 2020 年，在三星副董事長訪問后，EUV 光刻機(jī)出貨量又增加 4 臺，因此將總共出貨 40 臺。換句話說，每臺 EUV 光刻機(jī)的組裝時間從 12 個月縮短至 10 個月。
如果 35 個 Cabin 的建設(shè)期為 10 個月，則可以生產(chǎn) 42 臺 EUV 光刻機(jī)；如果建設(shè)期為 8 個月，則可以生產(chǎn) 52 臺；如果建設(shè)期為 6 個月，則可以生產(chǎn) 70 臺。
對縮短施工時間影響最大的部分，是卡爾 · 蔡司（Carl Zeiss）生產(chǎn)的用于 EUV 的光學(xué)鏡頭。根據(jù)有關(guān)人士的信息，卡爾 · 蔡司鏡的生產(chǎn)效率正在逐步提高，EUV 生產(chǎn)的建設(shè)周期似乎正在縮短。
也就是，每年交付 70 臺 EUV 光刻機(jī)，似乎并非不可能實現(xiàn)的事。
在 2018 年 11 月 8 日 “Investor Day”期間，ASML 向投資者展示了 2020 年的 EUV 需求和預(yù)測，包括高需求和低需求兩種類型的預(yù)測，而實際情況接近高需求。
▲ASML 的 2020 EUV 設(shè)備需求和引進(jìn)預(yù)測（來源：摘自 ASML 的投資者簡報材料 “業(yè)務(wù)模型和資本分配策略”，2018 年 11 月 8 日）
根據(jù) ASML 的高需求預(yù)測，對 EUV 光刻機(jī)的需求量為 35 臺，而引進(jìn)量為 33 臺。與之對照，2020 年共交付了 40 臺 EUV 光刻機(jī)。簡而言之，實際需求超出了 ASML 預(yù)測的高需求。
此外，ASML 用上述材料預(yù)測了 2025 年 EUV 的需求和引入。在高需求下，high-NA 預(yù)計為 9 臺 + 55 臺，也就是說預(yù)計將總共有 64 臺 EUV 光刻機(jī)的需求。
▲ASML 的 2025 年 EUV 需求和引進(jìn)預(yù)測（來源：摘自 ASML 的投資者簡介材料 “業(yè)務(wù)模型和資本分配策略”，2018 年 11 月 8 日）
實際上，自 2021 年以來，臺積電和三星的總需求量約為 80 臺 EUV 光刻機(jī)。而 ASML 早在兩年前就預(yù)測了 64 臺的需求量，因此對于 ASML，是可能滿足超出預(yù)期的需求的。
由于 2019 年和 2020 年沒有 “Investor Day”，因此目前尚不清楚 ASML 如何在過去兩年中調(diào)整其對 EUV 需求和采用量的預(yù)測。不過，為響應(yīng)自 2018 年以來向上修訂的需求，ASML 將計劃縮短 EUV 設(shè)備的打造時間并增加 Cabin 數(shù)量。
綜上所述，盡管臺積電和三星對大約 80 臺 EUV 光刻機(jī)的需求量不會立即得到完全響應(yīng)，但預(yù)計 ASML 在未來幾年內(nèi)將交付類似數(shù)量的 EUV 光刻機(jī)。隨著 EUV 光刻機(jī)數(shù)量增長，3nm 和 2nm 將走向批量生產(chǎn)。
關(guān)于臺積電和三星的微縮化競爭，看來臺積電將在 EUV 成熟度和 3nm 的大規(guī)模生產(chǎn)方面處于領(lǐng)先地位。但三星計劃盡快推出 High-NA，可能會在 2nm 之后恢復(fù)。
在邏輯半導(dǎo)體方面，imec 的 Myung Hee Na 在 IEDM2020 上宣布了直至 1nm 的半導(dǎo)體路線圖。
▲邁向 1nm 制程的半導(dǎo)體路線圖（來源：imec）
根據(jù)該路線圖，邏輯半導(dǎo)體制程將發(fā)展向 2nm、1.4nm、1nm 乃至 0.7nm，摩爾定律仍然存在。
臺積電和三星在 2nm 之后的微縮化競爭中將占據(jù)主導(dǎo)地位？還是會出現(xiàn)黑馬？我們將繼續(xù)關(guān)注 EUV 和使用該技術(shù)的微縮化。
