玻璃成瓶頸 EUV微影設備缺貨將持續3年?

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

似乎有不少分析師最近提出,今年下半年缺晶片問題就會得到緩解——這一結論的觀察角度未知。但從半導體製造材料和設備的角度來看,無論如何都很難得出這樣的結論...

細緻到可以深究成熟製程的光罩(photomask)短缺問題——據說也是近期才發現的,尤其是28nm及以上製程的產能開始受到光罩短缺問題的影響。不過這並非本文要談的重點,更迫在眉睫的乃是微影設備的短缺。

前不僅英特爾(Intel)才宣佈了原本位於俄勒岡州波特蘭(Portland)的一台極紫外光(EUV)微影設備,已經遷往愛爾蘭Fab 34工廠。如果說微影設備夠用的話,也不至如此了。這只是微影設備當前及未來很長一段時間內將要短缺的一個縮影,它為產業和不同企業帶來的不確定性將是深遠的。比如單說Intel要在2025年奪回尖端製程王座,在EUV微影設備都無法滿足其生產需求的情況下,根本就無從談起。

不光是EUV微影,前不久ASML發出警示訊號指出今年只會有60%的深紫外光(DUV)微影設備訂單得到滿足。在致分析師與投資者的季報電話會議上,ASML執行長Peter Wennink表示:「儘管當前宏觀經濟環境存在不確定性,我們仍然相信市場的根本驅動力不變。我們持續看到覆蓋全部市場範疇、前所未見的客戶需求,從先進到成熟製程節點。我們正開足最大馬力,並預期到明年需求仍將超過供給。」

ASML計畫今年發貨55台EUV微影設備(EUV scanner),以及大約240台DUV微影設備。目前其DUV微影設備未交付訂單超過了500台,所以購買全新DUV微影設備(包括用於成熟和尖端製程節點)的訂單交付期(或者說間隔期)大約是2年。今年僅能滿足60%的DUV訂單需求,以全速輸出能力運轉,關鍵問題也就是產能極限了。

EUV微影設備需求端現狀

先前已經大致提到過Intel很快就要面臨EUV微影設備根本買不到的尷尬——這對Intel接下來異常關鍵的3、4年來說簡直就是災難,因為其後續尖端製程都需要EUV微影設備。台積電(TSMC)和三星(Samsung)從7nm製程節點就開始應用EUV微影層了,並且在隨後的製程演進中,逐步增加半導體製造過程中的EUV微影層數。借助EUV微影,所需製造工序數量更少,圖案保真度更高,節省時間和良率成本。Intel則將在接下來的製程節點(Intel 4)導入EUV微影技術,相較其他兩家更晚。在這個時間點也顯得最為尷尬,起碼另外兩家已經應用EUV微影2代以上了,且有儲備EUV微影設備。

更具體地說,台積電Fab 15的5、6、7期在跑7nm EUV微影製程。Fab 18的1、2、3期造5nm製程;預計2024年5nm製程要達到240k片晶圓/月的產能;亞利桑那州Fab 21的5nm產能要增加額外的20k片晶圓/月。Fab 18的4、5、6期做3nm擴產,預計在產能上還要比5nm更高。Fab 20的1、2、3、4期在規劃2nm。

三星這邊,其實除了邏輯晶圓7nm、5nm、3nm製程需求EUV微影,另外DRAM儲存對EUV微影的應用也會需求量增大。其1z節點就在產業內率先導入了EUV微影,有1個EUV微影層,而1 alpha節點預計提量會有5個EUV微影層。目前其華城(Hwaseong)和平澤(Pyeongtaek)的晶圓廠有EUV設備,平澤還預備大規模擴產,以及規劃中的奧斯丁邏輯晶圓廠也將應用EUV微影技術。

Intel當前有3個研發晶圓廠需求EUV微影工具,1個生產晶圓廠可裝配EUV微影設備——不過後者目前似乎還沒有裝上EUV工具。而且Intel當前還在擴建8個可應用EUV的生產晶圓廠。應該說,在3家尖端製程邏輯晶圓廠方面,台積電的EUV工具數量是遠超三星;而Intel則因為入局最晚,現在是最被動的。

另外既然三星作為DRAM供應商需求EUV微影設備,那麼SK海力士(SK Hynix)、美光(Micron)自然就不會例外。美光宣佈1 delta與1 gamma節點要應用EUV微影;SK海力士的1 alpha節點已經在基於EUV微影做生產,大約5個微影層,據說也向ASML下了比較大的訂單;另外南亞科技似乎也有應用EUV的準備。

 

 

IC Knowledge基於以上動向提出對於EUV微影工具需求與供給側的預期。上圖柱狀條表示微影設備需求量(空心的是預期),而折線表示ASML實際能夠提供的量(虛線為預期)。從2021年的柱狀條可見,台積電掌握著超過一半的微影系統,三星次之,隨後是Intel。IC Knowledge認為,2022~2024年市場對於EUV微影工具的需求量會增加,預計2022年會有18台設備短缺,2023年短缺12台,2024年短缺20台。

從這樣的情勢來看,至少未來3年內,依賴尖端製程的晶片都將受制於EUV微影設備的不足(通常是PC、手機及更多HPC應用)。作為僅剩的3家尖端製程晶圓廠,Intel可能成為其中最艱難的。前不久就有消息說該公司CEO Pat Gelsinger亦談到EUV微影系統會成為未來建新廠的瓶頸。

比較有趣的是,Scotten Jones上個月發表評論:「我認為EUV系統短缺產生的影響,還在於對於EUV微影層的使用問題上。EUV對於橫向的nanosheet而言更重要。」事實上,三星3nm GAAFET新型電晶體結構對EUV更為依賴。

而由於EUV微影系統短缺,「我相信那些企業會被迫將EUV應用到影響更大的層上,並在其他部分層繼續使用多重曝光。」這也是個挺有趣的解讀思路,畢竟Intel 7製程就沒有使用EUV微影,但電晶體密度也達到了台積電7nm的相似水準。在EUV微影設備短缺的大前提下,大概更多晶圓廠也不得不考慮減少晶片製造的EUV微影層,並將某些原本可以用EUV微影的層改用DUV進行多重曝光了。

ASML的瓶頸可能是「玻璃」

其實ASML今年第一季的財報並不能看出太多驚喜,不過訂單量之多(70億歐元)還是讓人感受到了產業供需不平衡現狀。投資者普遍比較關心的是ASML有沒有可能提量來滿足市場需求。ASML CEO Peter Wennink對此似乎並不是很有信心,倒是反覆提及要等等看2025年的可能性,可能以其作為解決供應鏈問題的目標時間。2025年?Intel欲哭無淚啊…

Semiconductor Advisors LLC分析師提到,ASML產能受限並不是因為晶片,也不是因為疫情或者俄烏衝突,問題是出在了ASML的供應商身上。造成瓶頸的關鍵供應商就是德國的蔡司(Zeiss),以前就總在開玩笑說,磨玻璃的比玩沙子的高級,當然單純用玻璃來代表蔡司是不對的,應該說是微影設備上的鏡組和光學系統。

瞭解ASML微影設備的讀者應該會很清楚,蔡司是當代尖端微影製程幾乎唯一的光學鏡組供應商。Semiconductor Advisors分析師表示,ASML在這個部分是全部依賴蔡司,別無二選。玩攝影的讀者對蔡司應該也不陌生(vivo之類的手機消費品上,現在也頻繁出現蔡司的小藍標),這是德國的百年光學大廠(總有各種手工打磨鏡片的傳說),不過蔡司並不是一家典型的商業企業,從組織屬性來說賺錢也非第一要務。

據說一方面蔡司本身並沒有足夠的空間來增加產能,且基於其組織屬性和百年傳統,也無意於加快速度。不過Semiconductor Advisors的這個說法是否確切,可能還有待做進一步的考證,他們也並沒有提供有關蔡司構成EUV微影設備輸出瓶頸的論據。只不過在全球缺晶片,ASML還缺微影設備的當下,蔡司的確可能成為產能瓶頸的重要一環。

 

 

只是越來越多導致晶片短缺的因素和瓶頸出現,或許會讓更多的企業和政府反思半導體製造全球化的合理性。現下的各種問題,從疫情到缺芯,從局部衝突到全球貿易爭端,都將半導體產業推向一定程度的區域化(regionalization),而非全球化。當半導體製造被全球僅有的1~2家公司卡住命脈,對任何企業和政府來說都不會是什麼好事;起碼要有備選方案。

這是持續如此之久的晶片短缺潮,暴露出的最大問題。雖然在半導體尖端製程這個人類精密加工技術的皇冠上——從技術層面來看——現階段任何國家和地區的區域化可能都不大現實。

本文同步刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

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