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EUV光刻机缺货问题要持续3年，瓶颈居然是...

2022-05-06 09:30:43

EUV光刻机缺货问题要持续3年，瓶颈居然是...(图1)

似乎有不少分析师最近提出，今年下半年缺芯问题就会得到缓解——这一结论的观察角度未知。但从半导体制造材料和设备的角度来看，无论如何都很难得出这样的结论...

细致到可以深究成熟工艺的光掩模（photomask）短缺问题——据说也是近期才发现的，尤其是28nm及以上工艺的产能开始受到掩模短缺问题的影响。不过这并非本文要谈的重点，未来或许我们可以单独撰文探讨；而更迫在眉睫的乃是光刻机的短缺。

前不仅Intel才宣布了原本位于俄勒冈州波特兰（Portland）的一台EUV（极紫外光）光刻机，已经迁往爱尔兰Fab 34工厂。如果说光刻机够用的话，也不至如此了。这只是光刻机当前及未来很长一段时间内将要短缺的一个缩影，它给行业和不同企业带来的不确定性将是深远的。比如单说Intel要在2025年夺回尖端制造工艺王座，在EUV光刻机都无法满足其生产需求的情况下，根本就是无从谈起的。

不光是EUV光刻，前不久ASML刚刚发出警示信号今年只会有60%的DUV（深紫外光）光刻机订单得到满足。在致分析师与投资者的季报电话会议上，ASML首席执行官Peter Wennink表示：“尽管当前宏观经济环境存在不确定性，我们仍然相信市场的根本驱动力不变。我们持续看到覆盖全部市场范畴、前所未见的客户需求，从先进到成熟工艺节点。我们正开足最大马力，并预期到明年需求仍将超过供给。”

ASML计划今年发货55台EUV光刻设备（EUV scanner），以及大约240台DUV光刻机。目前其DUV光刻机未交付订单超过了500台，所以购买全新DUV光刻设备（包括用于成熟和尖端工艺节点的）的订单交付期（或者说间隔期）大约是2年。今年仅能满足60%的DUV订单需求。以全速输出能力运转，关键问题也就是产能极限了。

不过本文着重来谈谈EUV光刻机的缺货问题。

EUV光刻机需求侧现状

在《评估 Intel超越台积电的可能性》一文里，我们已经大致提到过Intel很快就要面临EUV光刻机根本买不到的尴尬了——这对Intel接下来异常关键的3、4年来说简直就是灾难，因为其后续尖端制造工艺都需要EUV光刻机。

台积电和三星从7nm工艺节点就开始应用EUV光刻层了，并且在随后的工艺迭代中，逐步增加半导体制造过程中的EUV光刻层数。借助EUV光刻，所需制造工序数量更少，图案保真度更高，节省时间和良率成本。Intel则将在接下来的工艺节点（Intel 4）引入EUV光刻技术，相较其他两家更晚。在这个时间点也显得最为尴尬，起码另外两家已经应用EUV光刻2代以上了，EUV光刻机有储备。

更具体地说，台积电Fab 15的5、6、7期在跑7nm EUV光刻工艺。Fab 18的1、2、3期造5nm工艺；预计2024年5nm工艺要达到240k片晶圆/月的产能；亚利桑那州Fab 21的5nm产能要增加额外的20k片晶圆/月。Fab 18的4、5、6期做3nm扩产，预计在产能上还要比5nm更高。Fab 20的1、2、3、4期在规划2nm。

三星这边，其实除了逻辑晶圆7nm、5nm、3nm工艺需求EUV光刻，另外DRAM存储对EUV光刻的应用也会需求量增大。其1z节点就在行业内率先引入了EUV光刻，有1个EUV光刻层，而1 alpha节点预计提量会有5个EUV光刻层。目前其华城（Hwaseong）和平泽（Pyeongtaek）的Fab厂有EUV设备，平泽还预备大规模扩产，以及规划中的奥斯汀逻辑fab厂也将应用EUV光刻技术。

Intel当前有3个研发fab厂需求EUV光刻工具，1个生产fab厂可装配EUV光刻机——不过后者目前似乎还没有装上EUV工具。而且Intel当前还在扩建8个可应用EUV的生产fab厂。应该说，在3家尖端工艺逻辑晶圆厂方面，台积电的EUV工具数量是远超三星的；Intel则因为入局最晚，现在是最被动的。

另外既然三星作为DRAM供应商需求EUV光刻机，那么SK海力士、美光自然就不会例外。美光宣布1 delta与1 gamma节点要应用EUV光刻；SK海力士的1 alpha节点已经在基于EUV光刻做生产，大约5个光刻层，据说也给ASML下了比较大的订单；另外南亚科技似乎也有应用EUV的准备。

EUV光刻机缺货问题要持续3年，瓶颈居然是...(图2)

IC Knowledge基于以上动向给出了他们对于EUV光刻工具需求与供给侧的预期。上面这张图柱状条表示光刻设备需求量（空心的是预期），而折线表示ASML实际能够提供的量（虚线为预期）。从2021年的柱状条可见，台积电掌握着超过一半的光刻系统，三星次之，随后是Intel。IC Knowledge认为，2022-2024年市场对于EUV光刻工具的需求量会增多。则预计2022年会有18台设备短缺，2023年短缺12台，2024年短缺20台。

从这样的情势来看，至少未来3年内，依赖尖端制造工艺的芯片都将受制于EUV光刻设备的不足（通常是PC、手机以及更多HPC类应用）。作为仅剩的3家尖端制造工艺晶圆厂，Intel可能成为其中最艰难的。前不久就有消息说Intel CEO亦谈到了EUV光刻系统会成为未来建新厂的瓶颈。

比较有趣的是，Scotten Jones上个月发表评论说：“我认为EUV系统短缺产生的影响，还在于对于EUV光刻层的使用问题上。”“EUV对于横向的nanosheet而言更重要。”在3nm解读文章里，我们大致谈到过三星3nm GAAFET新型晶体管结构，它对EUV更为依赖。

而由于EUV光刻系统短缺，“我相信那些企业会被迫将EUV应用到影响更大的层上，并在其他部分层继续使用多重曝光。”这也是个挺有趣的解读思路，毕竟Intel 7工艺就没有使用EUV光刻，但晶体管密度也达到了台积电7nm的相似水平。在EUV光刻机短缺的大前提下，大概更多晶圆厂也不得不考虑减少芯片制造的EUV光刻层，并将某些原本可以用EUV光刻的层改用DUV做多重曝光了。

ASML这边的瓶颈，可能是“玻璃”

其实ASML今年Q1的财报并不能看出太多惊喜，不过订单量之多（70亿欧元）还是让人感受到了行业的供需不平衡现状的。投资者普遍比较关心的是ASML有没有可能提量来满足市场需求。Peter Wennick对此似乎并不是很有信心，倒是反复提及要等等看2025年的可能性，可能以其作为解决供应链问题的目标时间。2025年？Intel欲哭无泪啊...

Semiconductor Advisors LLC的分析师提到，ASML产能受限并不是因为芯片，也不是因为疫情或者俄乌冲突，问题是出在了ASML的供应商身上。造成瓶颈的关键供应商就是德国的蔡司（Zeiss）。所以这部分的小标题用了“玻璃”——以前我们就总在开玩笑说，磨玻璃的比玩沙子的高级。当然单纯用玻璃来代表蔡司是不对的，应该说是光刻机上的镜组和光学系统。

对ASML光刻机有了解的读者应该会很清楚，蔡司是当代尖端光刻工艺几乎唯一的光学镜组供应商。Semiconductor Advisors分析师表示ASML在这个部分是全部依赖于蔡司的，别无二选。玩摄影的同学对蔡司应当不会陌生（vivo之类的手机消费品上，现在也频繁出现蔡司的小蓝标了），这是德国的百年光学大厂（总有各种手工打磨镜片的传说）。不过蔡司并不是一家典型的商业企业，从组织属性来说赚钱也非第一要务。

据说一方面蔡司本身并没有足够的空间来增加产能，且基于其组织属性和百年传统，也无意于加快速度。不过Semiconductor Advisors的这个说法是否确切，可能还有待做进一步的考证。他们也并没有提供有关蔡司构成EUV光刻机输出瓶颈的论据。只不过在全球缺芯，ASML还缺光刻机的当下，蔡司的确可能成为产能瓶颈的重要一环。

EUV光刻机缺货问题要持续3年，瓶颈居然是...(图3)

只是越来越多导致缺芯的因素和瓶颈出现，或许会让更多的企业和政府反思半导体制造全球化的合理性。就像此前我们在俄乌冲突评论文章里提到的，现下的各种问题，从疫情到缺芯，从局部冲突到全球贸易争端，都将半导体行业推向一定程度的区域化（regionalization）-而非全球化。当半导体制造被全球仅有的1-2家公司卡住咽喉，对任何企业和政府来说都不会是什么好事；起码要有备选方案。

这是持续如此之久的缺芯潮，暴露出的最大问题，虽然在半导体尖端制造工艺这个人类精密加工技术的皇冠上——从技术层面来看——现阶段任何国家和地区的区域化可能都不大现实。