三大芯片代工厂的EUV竞赛

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晶圆代工龙头台积电(TSMC)在上周发表了亮眼的2019年第三季财报，而该公司在10月初也罕见的针对其极紫外光(EUV)微影技术导入进度发出新闻稿指出，台积电率先采用EUV微影技术之7纳米强效版(N7+)工艺已协助客户产品大量进入市场，为量产速度“史上最快”的工艺之一，已于2019年第二季开始量产，且强调“在其7纳米工艺技术(N7)量产超过一年时间的情况下，N7+良率与N7已相当接近。”
而EE Times询问了几位产业分析师，他们大都认同台积电在EUV微影技术商用化自称第一的说法有其依据。如市场研究机构Arete Research的资深分析师Jim Fontanelli表示：“无论在EUV微影设备的使用与采购量、商用EUV晶圆片的产量，以及将EUV整合到他们近期的技术蓝图等方面，台积电显然都跑在最前面。”
Fontanelli指出，目前台积电N7+工艺的领先优势是大约有三层光罩是采用EUV微影；到2020年下半年，台积电将量产的5纳米工艺将会大幅将采用EUV的层数增加到约15层。而在2020年底将量产的6纳米工艺，则是会采用约4层的EUV微影。

EUV微影技术进展时间表。
（来源：Zeiss）
此外Fontanelli认为，由于7纳米节点晶圆产能有限，AMD应该是台积电7+工艺的主要客户，而华为(Huawei)与苹果(Apple)则会是其5纳米工艺的两大买主，这两家公司都寻求芯片面积的进一步微缩以及功耗、速度性能的提升。至于联发科(MediaTek)则可能会是台积电的6纳米工艺最大客户，因为7纳米工艺产量持续有限。
如同台积电在晶圆代工产业的头号竞争对手三星(Samsung)之一位技术专家在先前刊登于EE Times的一篇文章中所言，尽管EUV一直很难实现，该技术却是芯片工艺微缩不可或缺的关键。EUV微影的功率目标至少为250W，而其他的传统微影光源功率目标要低得多，如浸润式微影仅90W，干式氟化氩(ArF)光源的功率目标为45瓦，氟化氪(krypton flouride，KrF)光源则为40瓦。高数值孔径(High-NA)的EUV光源预期将需要至少达到500W功率目标。
而EUV可以提供的关键优势在于能抵销7纳米及更先进节点工艺的高昂生产成本。在上述三星的文章中指出，EUV约可减少20%的光罩阶层，因此缩减量产周期时间；芯片设计者利用EUV微影工艺，能避免晶圆厂使用193纳米浸润式微影技术时非常难以应付的三重、四重图形(triple/quadruple-patterning)技术。
上述文章的作者、三星电子晶圆代工业务首席专家Yongjoo Jeon总结指出：“简而言之，虽然在理论上芯片制造商可能不靠EUV继续向前，但随着时间继续推进，这种强大且越来越耐用的技术更具吸引力，对于尖端半导体社群来说也越来越不可或缺。”
Fontanelli指出，三星是于去年底在其7LPP工艺导入EUV微影技术，一开始只用来生产自家以及可能高通(Qualcomm)的应用处理器，但产量都不高；三星规划明年量产6纳米EUV工艺，开发中的5纳米EUV工艺可能会在2021年量产。“关键在于产量──虽然三星对于自家手机应用处理器有保证产量，其尖端工艺的外部客户有限，高通是主要客户；”他也指出，三星可能会有一部分来自高通的生意流向台积电。


EUV三强

现阶段只有三家芯片制造商──台积电、三星与英特尔(Intel)──正在规划将EUV导入生产技术蓝图，英特尔排第三。“看来英特尔致力于在7纳米节点采用EUV，预计在2021年左右实现；”Fontanelli表示：“由于工艺需求不同，其光罩层数在5纳米节点可能会比台积电少，大概会低于10层。”
无论如何，英特尔仍可能是这场EUV技术竞赛中的一匹黑马。市场研究机构VLSI Research执行长Dan Hutcheson表示：“在这三家公司中，英特尔深不可测，因为该公司没有业务上的理由需要公开他们正在做的事情，而英特尔总是比其他公司擅长将微影工具推向一个新节点。英特尔多年来一直是最积极投入EUV技术研发，该公司也没有夸耀自家EUV成果的营销需求，因此直到他们有信心准备好生产之前，不会有任何消息宣布。”
原本英特尔的7纳米工艺预计于2017年量产，但因为其14纳米节点、10纳米节点的量产陆续延迟，该公司将7纳米处理器的量产延后至2021年。市场研究机构IC Insights的副总裁Brian Matas指出，在2019年5月，英特尔高层曾经声称其7纳米技术会挑战台积电5纳米节点工艺所规划的性能表现。
而无论如何，在EUV获得广泛采用之前仍需要好几年时间，较小的芯片厂商可以先喘口气，在可见的未来继续采用较旧的微影工具。The Linley Group首席分析师Linley Gwennap表示：“只有最小的功能会需要用到EUV，我们预期晶圆厂会继续在大多数的光罩层采用传统微影技术。台积电表示其N7+工艺采用4层EUV，下一代的5纳米工艺将采用14层EUV，随着晶体管持续微缩，需要用到EUV的层数会更多。”
Gwennap表示，虽然台积电表示其N7+工艺良率表现佳，但我们还没有看到任何采用该工艺处理器的手机问世；华为的第一批Mate 30手机是采用7纳米Kirin 990处理器，并非N7+工艺5G版本处理器。而三星8月开卖的Note 10手机已经内建7纳米EUV工艺芯片，其良率表现应该已经达到合理目标。
“英特尔至少会落后两年，”Gwennap总结：“其第一批EUV微影工艺产品最快要到2021年底才会问世。”

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