2023年，EUV光刻机在DRAM量产迎来高光时刻

似雪花飘 · 发表于 2023-1-19 12:22:02

         作者：二马路的冰
         排版：LEAHMA
         出品：SOlab
         EUV光刻机号称“现代光学工业之花”，被誉为“集成电路装备皇冠上的明珠”,是人类文明的智慧结晶。融合精密光学、精密仪器、高精度环境控制、真空、数学、自动化、软件、图像识别、表面物理与化学等40多个学科领域的最新成就。当前，荷兰的ASML公司是全球唯一一家能够设计和制造EUV光刻机设备的厂商。
         ASML公司单台数值孔径0.33型号为TWINSCAN NXE:3600D的EUV光刻机售价超过1.4亿美元（含服务）。每台EUV光刻机有超过 10万个零组件，需要40个货运集装箱或四架大型喷气式飞机来运输。
         作为对比，按照美国政府2019年10月与洛克希德马丁所签署的协议，最新第14批次的F-35B飞离成本（含发动机）是1.013亿美元。
         型号为TWINSCAN NXE:3600D的EUV光刻机图源：ASML
         近年来，ASML销售的EUV光刻系统数量持续增长。从2015年第一台EUV光刻机出货，到2021年，ASML已成功交付42套EUV光刻机（总价63亿欧元）。ASML首席执行官 Peter Wennink表示，“我们计划2022年将EUV设备的产量增加到55台，并在2023年增加到60台”。
         根据韩媒表示，尽管2023年全球经济放缓，但三星电子仍将在2023年对存储芯片和系统半导体增加10%的产能。
         下一代EUV光刻机正在研发中，其数值孔径将从0.33提升至0.55，从而提高分辨率，并且实现更小的特征尺寸。
         2022年SPIE先进光刻大会传出消息，ASML在其位于荷兰Veldhoven的新洁净室中已经开始集成第一个0.55 NA EUV光刻机,型号是TWINSCAN EXE:5000。原型机有望在2023年上半年完成。
         从2025年或者2026年开始，下一代EUV光刻机有望用于芯片量产。
         英特尔是第一个下单ASML第一代0.55 NA光刻机TWINSCAN EXE:5000的客户。2022年SPIE先进光刻大会上，英特尔的Mark Phillips预测，最先进的数值孔径为0.7的EUV光刻机也在规划中。
         EUV光刻机在先进逻辑芯片的一路高歌猛进
         高端芯片与成熟芯片的分水岭是7nm工艺。EUV光刻工艺定义了7nm及以下逻辑芯片中晶体管的尺寸，直接决定芯片的制程（即所谓的技术节点）和性能水平。2018年，EUV技术加速导入芯片量产。
         2019年起，EUV光刻机正式应用于7nm及以下逻辑芯片的量产。中国台积电、韩国三星和美国英特尔三家的逻辑芯片量产开始大规模使用EUV光刻机，其良率正在逐步提高。
         2022年6月30日，在EUV光刻机的加持下，三星电子宣布3nm芯片量产，三星自此成为全球第一个量产3nm芯片的厂商，EUV光刻机的加持带来了性能、功耗方面的更多优势。
         根据三星公布的数据，与5nm制程相比，3nm制程可以降低45%的功耗、提升23%的性能和缩小16%的芯片面积。三星同时透露，未来的第二代3nm制程将有进一步的优化，将降低50%的功耗，提升30%的性能，缩小35%的面积。但是三星电子没有公布3nm芯片的良率。
         三星电子公司的员工举起三根手指作为3nm的象征，庆祝该公司首次生产采用EUV光刻机和纳米环栅晶体管架构的3nm制程芯片。
         2022年12月29日，中国台积电举行了3nm芯片量产仪式，宣告这一全球最大芯片代工厂的最新生产技术正式步入产能扩充阶段。
         在仪式上，台积电还宣布了明年二季度揭幕2nm工厂的计划。未来的2nm、1nm，以及更先进制程不断迭代，为更先进EUV光刻机的研发提供着源源不断的动力。
         台积电在南部科学园区的Fab 18新厂举行3nm的大规模量产及产能扩充仪式  图源：台积电
         2021年7月，英特尔宣布重返代工市场，并推出先进制程技术发展蓝图，计划在未来4年推出5个新世代芯片制程技术，并宣布将原本的10 nm Enhanced SuperFin正式更名为Intel 7，原先的7nm更名为Intel 4，之后分别为Intel 3、Intel 20A、Intel 18A 等。也就是说，英特尔2025年就会达到2nm制程的领域，目标是赶超台积电。
         至此，在先进逻辑芯片的应用领域，EUV光刻机顺风顺水，一路开挂，迎来了高光时刻！
         DRAM 对先进光刻的技术需求
         但是，在DRAM存储器芯片的应用领域，EUV光刻机的故事可没有这么简单。
         DRAM英文全称为Dynamic Random Access Memory，中文名为动态随机存取存储器，广泛用做个人电脑、服务器和手机等电子设备的内存。DRAM是最大宗（没有之一）的单一芯片产品，已走过52年的风雨历程，累计销售额超过1万亿美元。
         DRAM是当之无愧的“芯片之王”，其特质是韩国三星电子、SK海力士和美国美光三巨头垄断下的高成长与价格周期性波动并存。
         2021年，全球芯片市场规模是5559亿美元，DRAM市场份额是961亿美元，占比17.29%。三星电子、SK海力士和美光三巨头共同占据94%的DRAM市场份额。
         52年来，和逻辑芯片一样，DRAM的技术发展路径也是以微缩制程来提高存储密度。DRAM芯片厂商对光刻工艺的定义从具体的线宽转变为在具体制程范围来提高存储密度。历经了2008年的4xnm级别（49-40nm）、2010年的3xnm级别（39-30nm）。
         目前市场上DRAM的制程在10-20nm共六代，分别是：第一代1Xnm约16-19nm，第二代1Ynm约14-16nm，第三代1Znm约12-14nm，第四代1a（约13nm，1Znm的增强版），第五代1b（约12nm，1a的增强版），第六代1g（约11nm，1b的增强版）。
         和逻辑芯片量产一样，光刻机是DRAM量产中技术难度最大、成本最高的核心设备。DRAM密度受到存储电容、访问晶体管、字线以及位线等的影响，光刻分辨率直接决定DRAM芯片的集成度。据测算，光刻成本约占DRAM存储器芯片制造成本的30%左右。
         通常认为，DRAM的天花板是10nm。其原因是在传统1T1C架构下，单位元件面积不断减小，如何保证电容能够存储足够的电荷、防止相邻存储单元之间的耦合，是DRAM推进到10nm以下更为令人头疼的难题，该难题目前似乎无解。当然，这个无解的结论也不是那么绝对的。
         无论如何，至少目前为止，DRAM量产中对光刻的需求没有逻辑芯片对光刻的需求那么苛刻！
         第一波：1Znm节点DRAM进入EUV光刻机时代
         众所周知，基于多重曝光的方法，DUV浸没式光刻机目前是7nm技术节点以上的逻辑芯片量产的主流光刻手段。比如，14nm技术节点的逻辑芯片量产通常使用DUV浸没式光刻机，而不是EUV光刻机。理论上来说，EUV光刻机可以完全满足任何先进节点DRAM的量产需求。
         但是，DRAM三巨头中的韩国三星电子和SK海力士公司不这么认为！
         2020年3月，DRAM的冠军，三星电子率先使用在DRAM量产中引入EUV光刻机。
         2021年7月，SK海力士公司宣布利用EUV光刻大规模生产LP DDR4（low power DDR4）内存。顾名思义，LP DDR指的是低功耗双倍数据传输率。
         2021年10月，三星电子利用EUV光刻机开始大规模生产14nm DRAM。用于5G、云计算、大数据以及人工智能等高速应用场景。在此过程中，三星将其最先进的 14nm DDR5上的 EUV 层数从两层增加到了五层DRAM。
         以每月10万片产能计算，14nm DRAM一层关键层约需要2台EUV光刻机，也就是说，五层DRAM关键层的光刻约需要10台EUV光刻机。
         标准型DRAM芯片需求量远远大于单种类型逻辑芯片，三星电子的1Znm节点DRAM量产结果表明，相比于DUV浸没式光学光刻机，EUV光刻机极大简化了制造流程，不仅可以大幅度提高光刻分辨率和DRAM性能，而且可以减少所使用的掩模数量，从而减少流程步骤的数量，减少缺陷、提高存储密度，并大幅度降低DRAM生产成本，缩短生产周期。
         也就是说，即使EUV掩模费用（达数百万美元）远高于DUV掩模费用，使用EUV光刻机量产DRAM也具有更高的性价比。
         单次EUV光刻(左图) 结果优于多重曝光的水浸没式193nm光刻EUV光刻机（右图）
         三星电子和SK海力士公司将EUV光刻机引入1Znm节点DRAM的量产进展顺利，并一路高歌到第五代1β节点，令DRAM三巨头中最为保守的美光公司很无奈。
         2021年，美光公司开始批量发货基于DUV浸没式光刻机的第四代1a节点DRAM，落后于三星电子和SK海力士公司。
         美光公司不得不宣布将在中国台湾地区的新厂引进EUV光刻机，并于2024年实现DRAM量产。
         第二波：无需EUV光刻机
         美光反超1β节点DRAM
         如上所述， DRAM的扩展性很大程度上取决于每平方毫米晶体管的数量. 美光公司在没有EUV光刻机可用的情况下，不得不另辟蹊径，采用其先进的多重曝光技术和浸润式光刻技术，以最高精度在微小面积上形成图案。
         2022年11月1日，美光公司突然宣布，无需借助EUV光刻机，仍然采用原有的193nm浸没式光学光刻结合多重图形曝光技术，美光公司跨越了1Xnm、1Ynm、1Znm、1a四个节点，全球率先进入了1β节点。再一次确立了其全球领先的技术地位。
         美光公司宣称，相比于1a DRAM，在16Gbit的容量下，1β DRAM的能效将提高15%，内存密度将提高35%以上！这些芯片将在日本广岛的美光晶圆厂大规模生产。
         美光公司1βDRAM技术的合格样品将交付给选定的智能手机制造商和芯片组合作伙伴，并完成了批量生产准备。
         1βDRAM将率先用在美光的LPDDR5X移动内存芯片上，最高传输速率将达到8.5Gb/s。1βDRAM将为智能手机提供了市场上最节能的存储技术，延长手机电池寿命。
         不采用EUV光刻机，美光公司率先宣布1β DRAM开始量产图源：美光公司
         美光公司技术和产品执行副总裁斯科特德波尔（Scott DeBoer）表示：“我们的1β DRAM的推出标志着存储器创新的又一次飞跃，这是基于我们的独有专利，即多图案光刻技术结合前沿工艺技术和先进材料能力带来的”。
         斯科特德波尔还宣称：“通过提供世界上最先进的DRAM技术，每片内存晶片的比特数比以往任何时候都要多，这一节点为从边缘计算到云计算的新一代数据丰富、智能和节能技术奠定了基础”。
         2022年10月，美光公司宣布，计划在未来20年或更长时间内投资1000多亿美元，在美国纽约州北部建立大型存储器生产工厂。
         美光公司首席执行官桑杰·梅罗特拉表示：“毫无疑问，如果没有CHIPS法案*，我们就不会有今天”。
         （*注：CHIPS法案：2022年8月9日美国总统拜登签署的《2022年芯片与科学法案》）
         美光DRAM工艺集成副总裁Thy Tran表示，新的DRAM将首先在美光位于日本广岛的工厂生产，然后会在包括中国台湾地区在内的其他基地大批量投产。这些芯片将先在移动设备上应用，此后也会在通信、人工智能、机器学习等高耗能领域应用。
         美光表示，它计划在明年扩大其1β DRAM 产品组合的其余部分，包括在客户端、工业、数据中心和汽车等领域的量产，推出包括显示内存和高带宽内存等产品
         凭借其专有的DUV多重曝光光刻技术，美光成功绕开了韩国两大竞争对手必须使用的EUV光刻机。此结果令业内人士震惊不已！
         EUV光刻机加持
         韩国两巨头再次反超
         然而，好景不长！
         2022年12月20日，三星电子宣布，已成功开发出其首款采用12纳米（nm）级工艺技术打造的16Gb DDR5 DRAM，并与AMD一起完成了兼容性方面的产品评估。
         EUV光刻机加持的三星电子首款12nm级DDR5 DRAM
         三星电子高级副总裁兼DRAM产品与技术负责人Jooyoung Lee表示：“三星12nm级DRAM将成为推动整个市场广泛采用DDR5 DRAM的关键因素。凭借卓越的性能和能效，我们希望新款DRAM能够成为下一代计算、数据中心和AI驱动系统等领域更可持续运营的基础” 。
         AMD高级副总裁兼客户、计算、图形首席技术官Joe Macri表示：“创新往往少不了与行业伙伴的密切合作，来拓宽技术的边界。我们很高兴能与三星电子再度合作，特别是推出在Zen平台上优化和验证的DDR5内存产品”。
         英特尔公司内存和 IO 技术副总裁兼总经理 Carolyn Duran 表示：“英特尔的工程团队与三星等内存企业紧密合作，提供快速、节能的 DDR5 内存，该内存性能优化，并与我们即将推出的代号为蓝宝石激流 (Sapphire Rapids) 的英特尔 Xeon 可扩展处理器兼容。”
         与上一代三星DRAM产品相比，12nm级DRAM的功耗降低约23%。基于DDR5最新标准，三星12nm级DRAM将解锁高达7.2千兆每秒（Gbps）的速度，这意味着一秒钟内处理两部30GB的超高清电影。将能够协调超级计算和人工智能中的高级计算需求和高带宽工作负载，以及数据分析应用程序。
         SK海力士也不甘落后！
         2023年1月12日，SK海力士宣布，其采用EUV光刻机的10nm级DRAM获得了英特尔近期上市的全新第四代Xeon服务器处理器（代号为Sapphire Rapids）兼容认证。SK海力士的DDR5与DDR4相比，功耗最多可减少约20%，性能至少提升70%以上，有望为服务器客户提供高效能功耗比和降低碳排放量的效果。
         EUV光刻机加持的10纳米级DDR5服务器DRAM 全球首获英特尔认证  图源：SK海力士
         SK海力士表示：“这是具有里程碑意义的成果。将通过目前在量产的DDR5积极应对增长趋势的服务器市场，尽早克服存储器半导体的低迷市况。”
         业界一直将英特尔公司的“Sapphire Rapids”作为存储器半导体行业反弹的关键，期待着该产品的上市。因为新一代服务器用CPU上市后，现有的服务器需要进行更换，从而高性能存储器的销售会相应出现急剧增长，DDR5就可以满足需求高性能的客户要求。专家们预测，DDR5将尽早成为服务器DRAM市场的主力产品。
         SK海力士DRAM商品企划负责副社长柳成洙表示：“跟进英特尔Sapphire Rapids的上市，我们正在与多数客户为扩大DDR5的采用进行紧密合作，将在持续增长的服务器市场中巩固领先地位。”
         英特尔内存和IO技术副总裁Dimitrios Ziakas博士表示：“英特尔一直与SK海力士、JEDEC共同努力，为了实现DDR5与我们最新的处理器优化并兼容紧密合作。第四代Xeon服务器处理器与DDR5将为数据中心客户提供最强的性能体验。”
         2022年12月27日，据韩国媒体报道，在当前DRAM进入第六次大萧条之际，三星电子不仅不打算削弱DRAM产出，还准备逆周期投资，计划增加P3工厂的DRAM设备，扩大其DRAM存储芯片所需的12英寸晶圆产能，预计每月可生产7万片12英寸晶圆，计划2023年新购至少10台EUV光刻机。ASML则将2025年在韩国EUV光刻机的销售额目标提高到147.5亿欧元。
         2023年，EUV光刻机将在12nm DRAM量产迎来高光时刻。DRAM三巨头会进一步争夺EUV光刻设备。加上先进逻辑芯片巨头中国台积电和英特尔的争夺。ASML公司的EUV光刻机产量恐怕近几年会愈加吃紧。

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