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    • ?01、最先進制程之爭
    • ?02、EUV設備越來越重要
    • ?03、先進存儲芯片也在追求EUV
    • ?04、應對日本的半導體復興
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為了阻擊臺積電和日本半導體,韓國也是拼了

2023/12/25
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作者:暢秋

12月中旬,韓國總統(tǒng)尹錫悅與荷蘭首相馬克·呂特發(fā)表聯合聲明,雙方構建“半導體同盟”。雙方一致認為,兩國在全球半導體供應鏈中有著特殊的互補關系,并重申構建覆蓋政府、企業(yè)、高校的半導體同盟的決心。為此,雙方商定新設經貿部門之間的半導體對話協(xié)商機制,同時推進半導體專業(yè)人才培養(yǎng)項目。

陪同尹錫悅出訪的還有三星電子SK海力士公司的高管團隊,這兩家芯片巨頭都是荷蘭ASML公司的主要客戶。

在變化多端的全球半導體市場,為了幫助由三星電子和SK海力士支撐的韓國半導體產業(yè),尹錫悅走到了前臺,凸顯出韓國政府對于保持并提升本國半導體競爭力的決心。

幾周前,三星電子老板李在镕到荷蘭與ASML簽署了重要協(xié)議。從荷蘭返回韓國后,李在镕表示,對與ASML達成的協(xié)議感到滿意。在EUV爭奪戰(zhàn)愈加激烈的當下,對于三星、英特爾和臺積電這三強來說,誰先拿到ASML最先進的EUV設備,且拿到的盡量多,誰就在未來先進制程芯片競賽中占得了先機。正因為如此,李在镕,甚至尹錫悅才如此積極地奔走。

據悉,按照協(xié)議規(guī)定,ASML在5年內將提供總共50套設備(不止EUV光刻機),而每臺單價約為2000億韓元(約為11.02億元人民幣),總價值可達10萬億韓元(約為551億元人民幣)。

?01、最先進制程之爭

綜合三星電子、臺積電和英特爾的規(guī)劃來看,2022-2023年實現3nm制程量產,2025年實現2nm量產。其中,三星和臺積電的競爭激烈,臺積電3nm仍堅持采用改良的FinFET晶體管技術,三星則選擇GAAFET技術。目前來看,臺積電3nm繼續(xù)保持市場領先地位,并獲得了全球多數大客戶的訂單。

三星電子在2023年推出了第二代3nm工藝,計劃2025年量產2nm,2027年推出1.4nm,到2030年趕上臺積電。

2025年,三星將推出2nm(SF2)制程,據悉,該工藝將采用背面供電技術,這樣可以進一步提升性能,因為供電電路被移到芯片背面,給正面留出了集成更多晶體管的空間。

在2nm制程之后,三星將增加晶體管的納米片數量,這樣可以增強驅動電流,提高性能,因為更多的納米片允許更多的電流流過晶體管,從而增強其開關能力和運行速度。更多的納米片還可以更好地控制電流,有助于減少漏電流,從而降低功耗。改進的電流控制也意味著晶體管產生的熱量更少,從而提高了電源效率。

據韓國媒體報道,三星晶圓代工部門正在整合優(yōu)勢資源,快速推進其2nm生產計劃。

臺積電同樣計劃于2025年推出2nm制程,也將采用納米片工藝,到那時,三星已經在GAA晶體管方面擁有豐富的經驗,這對晶圓代工很有利。因此,三星對2nm制程寄予厚望,無論是工藝技術,還是良率,可以與臺積電分庭抗禮。

近期,臺積電已經啟動了2nm試產的前置作業(yè),預計導入最先進AI系統(tǒng)來加速試產效率。目標是今年試產近千片,試產順利后,將導入后續(xù)建設完成的竹科寶山Fab 20廠,由該廠團隊接力沖刺2024年風險試產與2025年量產目標。

?02、EUV設備越來越重要

無論是對于攻城的三星電子,還是對于守城的臺積電,必須打好2nm制程量產這一仗。而制程越先進,對EUV光刻設備的依賴度越高,此時,ASML占到了舞臺中央。

據悉,2024全年,ASML計劃生產10臺可生產2nm芯片的EUV設備,而英特爾可能已經預先拿到了其中的6臺。這種情況下,三星與臺積電在這方面的競爭會更激烈。

半導體設備領域,韓國在半導體測試等后道設備領域的國產化已經取得重大進展,在前道設備方面,光刻和離子注入機仍處于零國產化的狀態(tài)。韓國在8大半導體設備方面的國產化率如下:熱處理(70%),沉積(65%),清洗(65%),平整化(60%),蝕刻(50%),測量分析(30%),光刻 (0%),離子注入(0%)。

因此,三星需要將更多的EUV和離子注入設備,以及后續(xù)服務和技術支持引入到韓國本土,以提升其先進制程工藝的開發(fā)和量產效率。為此,三星電子與ASML簽署了一份價值1萬億韓元(7.55 億美元)的協(xié)議。兩家公司將在韓國投資建設一家半導體研究工廠,在那里開發(fā)EUV技術。三星電子副董事長兼設備解決方案部門負責人 Kyung Kye-hyun 強調,該協(xié)議將幫助其獲得下一代高 NA(數值孔徑)EUV 光刻設備。

在韓國京畿道東灘即將建成的半導體研究工廠中,ASML和三星電子的工程師將共同改進 EUV技術。當然,這并不是要在韓國生產光刻機,而是要與ASML建立更深入的合作伙伴關系,以便三星可以更好地使用最新EUV設備。

?03、先進存儲芯片也在追求EUV

以上談的是晶圓代工以及邏輯芯片CPU、GPU等處理器)采用的先進制程需要更多的EUV設備,除此之外,近些年,先進存儲芯片也需要EUV,這方面,三星電子和SK海力士依然是需求大戶,這兩家與美光科技正在這方面進行競爭。

近些年,存儲芯片,特別是DRAM的制程進入了10nm~20nm時代,而且越來越趨近于10nm,這樣,常用的DUV光刻機就難以滿足最先進制程DRAM的要求,行業(yè)三巨頭也逐步在產線上引入了EUV設備。

2020年3月,三星電子率先使用EUV光刻機生產DRAM;2021年7月,SK海力士宣布利用EUV量產了LPDDR4內存;2021年10月,三星電子開始用EUV大規(guī)模生產14nm制程DRAM。

標準型DRAM芯片需求量遠遠大于單種類型邏輯芯片,三星電子的1Znm制程DRAM量產結果表明,相比于DUV光刻機,EUV極大簡化了制造流程,不僅可以大幅度提高光刻分辨率和DRAM性能,還可以減少使用的掩模數量,從而減少流程步驟,降低缺陷率,并大幅縮短生產周期。

即使EUV掩模費用(數百萬美元)遠高于DUV,使用EUV光刻機量產DRAM也具有更高的性價比。

近兩年,三星電子和SK海力士將EUV光刻機引入1Znm制程DRAM的量產進展順利,并演進到了第五代1β制程。相對而言,DRAM三巨頭中的美光較為保守,沒有立即跟進使用EUV。不過,到了2022年,看到使用EUV生產DRAM的諸多好處后,美光也按耐不住了。

據悉,美光將把EUV光刻機引入到該公司在日本的新產線,投資約36億美元用于1-Gamma制程工藝,美光可以從日本政府那里獲得15億美元的補貼。

顯然,在用EUV制造DRAM方面,韓國兩強已經走在了前面。韓國政府出面推動與荷蘭和ASML的深度合作,有助于三星和SK海力士存儲芯片的后續(xù)量產升級。

?04、應對日本的半導體復興

最近,韓國政府如此積極地參與本土半導體產業(yè)發(fā)展,還有一個刺激因素,那就是日本政府和產業(yè)界正在集體行動,想復興本土的半導體產業(yè)。

日本企業(yè)曾在全球半導體市場占據主導地位,在上世紀80年代后期占據了50%以上的市場份額,但他們目前的份額已經下降到10%左右。盡管在某些領域仍保持著競爭力,例如功率半導體,以及半導體設備和材料,但總體來看,日本需要的很多品類芯片都依賴進口,特別是先進制程(16nm及以下)芯片,其本土幾乎是一片荒漠。

近兩年,日本政府一直致力于提升本土先進制程芯片的制造能力,并采取了一系列措施。

為了打造本土半導體供應鏈,日本政府祭出了大量補貼,不僅吸引臺積電落腳日本,力積電也將在宮城縣以合資方式與日方合作設廠,加上聯電既有的三重縣晶圓廠,中國臺灣四大晶圓代工廠中,已有三家布局日本。

據悉,臺積電熊本新廠主建筑已建設完畢并開始移機,有望于2024年第四季度開始量產。臺積電還有可能在日本建第二座晶圓廠。

除了鼓勵外企前往當地投資建廠,日本政府還在2022年8月籌組了由豐田、索尼、NTT、NEC、軟銀、電裝(Denso)、鎧俠、三菱UFJ等8家日企及官方共同成立的Rapidus公司,目標是在2025年開始試產2nm芯片,2027年實現量產。

據日本媒體報道,ASML將于2024年在日本北海道設立新的技術支持中心,以協(xié)助Rapidus的2nm晶圓廠安裝和維護EUV光刻設備。

Rapidus董事長東哲郎表示,為了打造最先進芯片制造產線,預計將投資7萬億日元(約合540億美元),才能在2027年量產。之前,8家參股企業(yè)和日本政府提供的補貼資金遠遠不夠。今年4月,日本經濟產業(yè)省敲定計劃,將額外向Rapidus提供3000億日元(約22.7億美元)補貼。但這依然不夠,它們需要投下重注。

雖然日本在先進制程芯片方面很弱,但該國在半導體材料方面處于世界領先地位,半導體前段工序常用的材料一共19種,其中14種都由日本企業(yè)主導,特別是10nm制程以下的光刻膠,基本上只有日企能夠生產。這對韓國來說是個不小的問題,因為韓國先進芯片制造所需的關鍵半導體材料大都需要從日本進口,4年前,因為兩國政府和民間因一些事端出現對抗情緒,日本切斷了向韓國出口相關半導體材料的渠道,特別是光刻膠,韓國的相關技術和產品沒有競爭力。這使得韓國政府和相關企業(yè),特別是三星電子和SK海力士非常被動。

今年上半年,日本產業(yè)革新投資機構(JIC)同意收購光刻膠巨頭JSR,它擁有全球三成左右的市場份額。這家投資機構的背后,就是日本政府。

光刻膠是光刻工藝中最為核心的材料,它的純度、質量直接決定芯片的良率。

三星集團CEO曾表示:“如果缺少光刻膠,那么光刻機就是一堆廢鐵。”

2019年,日本跟韓國翻臉,日本不準向韓國出口光刻膠,這在很大程度上影響了三星電子先進制程芯片的生產,特別是良率,直線下滑,因為它只能用純度不夠的光刻膠。

韓國深受教訓,韓國政府在那時就立志要強化本土半導體材料的供應能力。2022年12月,三星宣布,韓國東進世美肯(Dongjin Semichem)研發(fā)的EUV光刻膠已成功應用于芯片生產,東進也是第一家把EUV光刻膠本土化做到量產水平的韓國公司。

Dongjin Semichem在日本實施出口管制之后就開始研發(fā)光刻膠,并于2020年聘請ASML Korea前CEO Kim Young-sun為副會長,為進軍EUV光刻膠業(yè)務打下基礎。據韓媒ETNews報道,Dongjin Semichem制定了High NA EUV光刻膠開發(fā)路線圖,從今年下半年啟動研發(fā)項目,目標是最快在2025上半年完成技術開發(fā)。

?05、結語

英特爾的改變,使得先進制程的競爭更加激烈,行業(yè)三強將在2nm制程芯片量產時走到歷史進程中最接近的時段,無論是技術,還是量產能力,很可能是是幾十年來差距最小的,而且是三家同時競爭。

隨著應用需求的發(fā)展,存儲芯片對制程工藝的要求也越來越高,發(fā)展到10nm以下先進制程是遲早的事。

日本作為亞洲半導體業(yè)曾經的霸主,后來被韓國拉下馬,如今,日本又開啟了復興之路。

在以上這些競爭和壓力面前,韓國政府和相關企業(yè)的競爭意識不斷加強,不進則退,需要更多行動和措施,才能保持住它們的行業(yè)地位。

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