臺積電、三星激戰(zhàn)2nm光刻機

近期，2nm等先進芯片發(fā)展備受行業(yè)關(guān)注。

6月17日臺積電舉行的技術(shù)論壇上，晶圓代工龍頭臺積電(TSMC)首次披露，到2024年，臺積電將擁有阿斯麥(ASML)最先進的高數(shù)值孔徑極紫外(high-NA EUV)光刻機，用于生產(chǎn)納米片晶體管(GAAFET)架構(gòu)的2nm(N2)芯片，預(yù)計在2025年量產(chǎn)。

與此同時，6月初被美國總統(tǒng)拜登亞洲行接見后，緊接著，韓國三星電子副會長李在镕又馬不停蹄奔赴歐洲，有報道指三星電子在阿斯麥獲得了十多臺EUV光刻機，并于本周起大規(guī)模生產(chǎn)3nm芯片，而2nm將于2025年量產(chǎn)。

盡管量產(chǎn)2nm芯片依然還需時日，但此時此刻，臺積電、三星電子兩家芯片大廠不約而同的尋求下一代EUV光刻機，意味著現(xiàn)在“2nm技術(shù)戰(zhàn)”已經(jīng)打響。

“到了未來的技術(shù)節(jié)點，間距微縮將減緩，硅晶體管似乎只能安全地微縮至2nm，而在那之后，我們可能就會開始使用石墨烯?！毙酒圃斓暮诵能浖﨓DA巨頭新思科技(Synopsys)研究專家Victor Moroz的這句話道出了2nm技術(shù)的重要性：2nm是硅芯片的最后一戰(zhàn)。

砸下600億美元奪nm

1965年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了大名鼎鼎的“摩爾定律”(Moore's law)理論，即集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會增加一倍。

自此之后，“摩爾定律”一直驅(qū)動著集成電路和芯片產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。過去的50年中，芯片里的晶體管密度和芯片的性能，都呈現(xiàn)了指數(shù)級的增長，而使用晶體管進行計算的成本和功耗也呈現(xiàn)了指數(shù)級的下降?？梢哉f，“摩爾定律”是驅(qū)動芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，甚至整個社會在這半個世紀(jì)里飛速前進的根本動力。

但隨著芯片制程進入到5nm、3nm，很多工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計已經(jīng)開始接近于原子層面，對設(shè)計的精度、良率都有很高的要求，也使得技術(shù)的突破變得愈加困難。因此，如今的芯片微縮，則更加依賴光刻機技術(shù)以及新的架構(gòu)設(shè)計的演進方法。

當(dāng)前，全球具備5nm及以下制程芯片制造實力的晶圓制造企業(yè)，只有臺積電和三星電子兩家。而他們卻正在展開一場投資超600億美元、以納米乃至原子厚度為目標(biāo)的先進制程競賽。

競賽開始，先進技術(shù)的資本投入至關(guān)重要。

根據(jù)兩家公司財報顯示，2021年，臺積電資本支出達(dá)300億美元，而今年預(yù)計資本支出將達(dá)400-440億美元，其中近90%用于先進制程以及特殊工藝技術(shù);三星電子2021年則在半導(dǎo)體領(lǐng)域投資約337億美元，并預(yù)計未來五年投資3600億美元，主要用于半導(dǎo)體先進制程等。

四大核心技術(shù)競爭

當(dāng)投入百億，甚至是千億美元，如今這場“2nm技術(shù)戰(zhàn)”中，臺積電和三星電子兩家公司分別在晶體管結(jié)構(gòu)、光刻、材料、封裝等進行核心技術(shù)創(chuàng)新競爭。

首先是新的晶體管結(jié)構(gòu)。

臺積電2nm采用納米片晶體管(GAAFET)結(jié)構(gòu)，相比目前5nm鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)架構(gòu)，GAAFET能更好控制漏電，且性能提升10%-15%，功耗卻降低25%-30%。

實際上，芯片內(nèi)部的場效應(yīng)晶體管，分別包括源極(Source)、漏極(Drain)和柵極(Gate)三部分。隨著芯片越做越精密，塞下的晶體管越來越多，柵極越來越細(xì)，導(dǎo)致電流就容易“漏出”。

為了解決該問題，科研人員研發(fā)出FinFET工藝，增加?xùn)艠O的接觸面積，減少電流漏電事件，同時芯片性能也能得到提升——類似“褲腰帶”變成“帶扣皮帶”的方案。

而2nm使用的新的GAAFET結(jié)構(gòu)，則是將柵極和漏極徹底包裹住，更好地控制漏電電流。

相比臺積電，三星更勝一籌，決定在本周開始量產(chǎn)的3nm上，使用GAAFET結(jié)構(gòu)，比臺積電提前三年。而且，三星和IBM還分別推出了納米片MBCFET、垂直晶體管VTFET兩種結(jié)構(gòu)，后者提供2倍的FinFET性能，功耗減少85%。不過MBCFET和VTFET目前沒有量產(chǎn)跡象。

其次是新的光刻機設(shè)備。

工欲善其事，必先利其器。

阿斯麥(ASML)最新研發(fā)的高數(shù)值孔徑極紫外光(high-NA EUV)光刻機，是2nm工藝的關(guān)鍵工具，成為三星、臺積電爭奪的焦點。

光刻機被譽為“皇冠上的明珠”，其利用特殊的光源和玻璃，將晶體管和設(shè)計好的電路圖投射到硅芯片，來繪制芯片電路，其大小相當(dāng)于一輛公交車，一家先進芯片工廠通常需要9~18臺這樣的設(shè)備。

芯片制造離不開光刻機，且制程越先進，其重要性越凸出，占芯片制造總成本比例也越高，總體來看，光刻機的成本占總設(shè)備成本的30%。

沒有EUV光刻機，就無法制造先進制程芯片。而目前EUV光刻孔徑為0.33NA，最多制造3nm芯片。

隨著芯片越來越精密，更高數(shù)值的孔徑意味著更小的光線入射角度，也意味著能夠用來制造尺寸更小、速度更快的芯片。如今，三星、臺積電都希望通過獲得下一代EUV光刻機，從而在未來2nm技術(shù)競爭上占據(jù)優(yōu)勢。

最先進的高數(shù)值孔徑EUV光刻機，目前只有ASML能夠生產(chǎn)。然而，光刻機設(shè)備開發(fā)難度很大，一年只能生產(chǎn)十幾臺。隨著全球芯片短缺，ASML不得不延遲交付，產(chǎn)能有限，廠商們要買到，并不容易。

此次李在镕到訪歐洲，主要目的之一就是到荷蘭采購ASML下一代EUV光刻機。更早之前，英特爾CEO基辛格為了能追趕臺積電、三星，不止是投資入股阿斯麥公司，還提早花高價訂購EUV光刻機制造產(chǎn)能。

據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)，新的EXE:5000系列high-NA EUV光刻機，鏡頭數(shù)值孔徑從0.33NA變?yōu)?.55NA，孔徑大小增加了67%，有望實現(xiàn)8nm的分辨率。預(yù)計這種設(shè)備非常復(fù)雜、非常大且價格昂貴——每臺的成本將超過4億美元。

最后是新材料、新的封裝互聯(lián)技術(shù)。

其中，材料方面，二維材料是目前半導(dǎo)體行業(yè)所關(guān)注的重點。臺積電此前曾提到，臺積電正在研究包括二硫化鎢(WuS2)和碳納米管等二維材料。相比于當(dāng)前的硅材料，二維材料能夠更有效地移動電子，并讓芯片實現(xiàn)更節(jié)能的計算，更適用于2nm及之后的先進制程。

封裝互聯(lián)方面，臺積電推出新的系統(tǒng)整合晶片堆疊(TSMC-SoIC)互連技術(shù)，解決3D封裝堆疊問題，到2035年前，臺積電有望實現(xiàn)1μm以內(nèi)的SoIC互連，從而提高芯片整體供電性能，降低整體電阻，避免受到功率密度提升和電源電壓下降的影響。

面對臺積電當(dāng)時的風(fēng)光，三星正苦苦追趕。為了搶在臺積電之前完成3nm研發(fā)，三星芯片制造工藝直接跳過4納米，從5nm上升到3nm。

如今，臺積電、三星兩家公司都爭奪光刻機，選擇非常激進的技術(shù)路線制造2nm。但三星的良率、功耗技術(shù)上一直是個大問題，尤其曾出現(xiàn)推遲發(fā)布的情況，2nm也可能虎頭蛇尾。

有消息指，臺積電有望成為全球第一家率先提供2nm制程代工服務(wù)的晶圓廠。

三星、臺積電爭霸，誰著急了？

目前，5nm節(jié)點后，只有臺積電和三星電子進入了先進制程的決賽圈。而2nm，成為了兩家公司的“兵家必爭之地”。

誰能取得優(yōu)勢，誰就能掌握半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的主動權(quán)，成為5G、AI、手機、自動駕駛、高性能計算(HPC)等領(lǐng)域的核心芯片供應(yīng)商。

這是三星和臺積電爭霸2nm的核心原因——強如蘋果、英偉達(dá)、AMD、英特爾、高通，都紛紛訂購兩家公司的先進技術(shù)產(chǎn)能。

2020年秋季，全球第一款5nm芯片產(chǎn)品出貨。該芯片正是蘋果在2020年秋季發(fā)布會上，首次公布的A14仿生芯片。據(jù)了解，這款SoC的晶體管數(shù)量達(dá)到118億個，而制造5nm芯片的廠商，正是臺積電。

有趣的是，臺積電、三星電子兩家晶圓代工廠激戰(zhàn)之際，IBM、英特爾等芯片巨頭，也都積極瞄準(zhǔn)2nm這一重要工藝節(jié)點。

其中，2021年5月，IBM對外公布全球第一顆2nm芯片設(shè)計。而這顆“重磅炸彈”，不僅為自己正名，還讓臺積電、三星加快了布局速度。

英特爾對此也比較“活躍”。此前，英特爾大踏步進軍芯片代工業(yè)務(wù)，對包括2nm在內(nèi)的先進工藝制程進行了大手筆投入。2021年7月，英特爾對芯片制程工藝命名進行了修改，并公布了最新的技術(shù)路線。英特爾稱，2nm(Intel20A)預(yù)計2024上半年投產(chǎn)，1.8nm (Intel18A) Lunar Lake 處理器預(yù)計2024年下半年量產(chǎn)。

不過，鑒于英特爾過去5年都沒有按時生產(chǎn)先進芯片，所以英特爾有可能會推遲交付。

至于國內(nèi)，由于難以引進尖端的半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備等因素，目前，中國大陸只突破了先進封裝技術(shù)。而在晶圓代工部分，多家龍頭企業(yè)已轉(zhuǎn)向成熟制程工藝(28nm及以上)制程，其中，SMIC最好的產(chǎn)品是14nm，華虹半導(dǎo)體最好的產(chǎn)品是200mm。

正如剛上任的深圳昇維旭技術(shù)首席戰(zhàn)略官、前紫光集團高級副總裁坂本幸雄所說，在計算邏輯芯片領(lǐng)域，相比臺積電2nm，如今14nm是七、八年前的技術(shù)。如果缺乏在三、四年后追上臺積電的雄心，中國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)差距會不斷擴大?！矩?zé)任編輯/AMY】

來源：鈦媒體

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