芯片是腦力密集型產業(yè)，隨著時間的推移，全球擁有芯片設計和制造全產業(yè)鏈的企業(yè)僅僅剩下三星和英特爾，不同于英特爾的穩(wěn)中求進，三星似乎更加激進。近日，據外媒曝光，三星公布了自己的芯片制造工藝的路線圖，三星方面表示，它們將于2019年底采用6nm工藝芯片代工，明年將完成5nm工藝和4nm工藝的芯片，在先進半導體制程技術上，三星只有臺積電一個對手了。
三星為何急于推出自己的先進制程工藝？
摩爾定律揭示了半導體產業(yè)的發(fā)展規(guī)律，也是芯片巨頭們決勝江湖的一本“武林秘籍”，正是這個規(guī)律的存在，讓英特爾、三星、德州儀器等企業(yè)稱霸半導體界幾十年。如今，半導體產業(yè)走到了一個關鍵的節(jié)點上，那就是7納米制程，很多專家表示，7納米將是推進摩爾定律的下一重要關卡，因為隨著半導體進入7nm節(jié)點，包括半導體設計、材料、制造工藝和封裝測試等，每個半導體制程環(huán)節(jié)都面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，成本和效能已經不能成正比了。
目前能夠設計7nm芯片的企業(yè)有華為、三星、英特爾、高通和蘋果等頂尖集成電路設計企業(yè)，但是擁有7nm制程技術的僅有三星和臺積電，英特爾似乎已經落戶了這兩大對手。英特爾高層曾表示，7nm工藝會在兩年內推出，最早將在2021年問世。
三星、臺積電在先進制程工藝上的你追我趕，無非是為了在市場的爭奪中占據先機。在代工模式方面，英特爾在電腦方面的領先是統(tǒng)治級別的，三星則擅長于智能手機芯片，而臺積電則是兩者皆通，甚至現在還占據了挖礦機芯片9成的市場。在10nm工藝上，臺積電拿下了華為麒麟970和蘋果A11兩款芯片的代工訂單，而三星則搶到了高通驍龍845代工訂單。
在7nm工藝上，華為麒麟980也選擇了繼續(xù)和臺積電合作，在三星的7nm制程工藝研制出來之前，蘋果A12、高通驍龍855的意向合作伙伴也是臺積電，但三星突然提前半年完成7nm新工藝的研發(fā)，讓高通和臺積電的合作存在一定的變數。有消息稱，高通已經將新的芯片樣品送交三星進行測試，但具體是不是驍龍855就不得而知。不過在此之前，三星已經宣布自己的7nm工藝已經贏得了高通5G芯片的訂單，不出意外的話，三星拿下驍龍855也只是時間問題。
面對臺積電和三星的步步緊逼，英特爾也不得不做出改變，英特爾在去年向包括ARM陣營在內的所有廠商開放代工業(yè)務，并表示代工業(yè)務營收在英特爾總營收中的比重將逐漸提升，三星對7nm、5nm工藝的執(zhí)著上，的確是比英特爾更加激進。
芯片巨頭的半導體制程“競賽”
2018年發(fā)生了讓業(yè)內人驚訝的一件大事，那就是聯電與格芯先后退出先進制程的軍備競賽，加上英特爾的10nm制程處理器量產出貨時程再度遞延到2019年底，均顯示先進制程的技術進展已面臨瓶頸。展望未來，還有能力持續(xù)推動半導體制程微縮的業(yè)者，或只剩下臺積電、三星和英特爾三家公司。
從進度上看，臺積電公布的7nm芯片已有50多款在流片，可算是遙遙領先。英特爾則仍苦苦掙扎于10nm。而三星近年來逐漸將代工業(yè)務視為發(fā)展重點，先后在美國、中國、日本等多地先后舉辦的三星代工論壇上還公布了其7nm以后的最新工藝路線圖，預計2018年推出7nm FinFET EUV工藝，而8nm LPU工藝也會開始風險試產，2019年推出7nm的優(yōu)化版，即5／4nm FinFET EUV工藝，同時面向RF射頻、eMRAM等芯片的18nm FD－SoI工藝開始風險試產，到2020年推出3nm EUV工藝，同時晶體管架構從FinFET轉向GAA。三星目前已將GAA視為7nm節(jié)點之后取代FinFET晶體管的新一代候選技術。
三星作為全球最大的存儲芯片生產企業(yè)，通過在存儲芯片上錘煉先進工藝，在過去三年間，三星就采用EUV技術處理了20萬片晶圓生產SRAM。2017年五月，三星推出了首款使用EUV光刻解決方案的半導體工藝技術7nm LPP EUV，預期可借此突破摩爾定律的擴展障礙，為單納米半導體技術的發(fā)展鋪平道路。另外，三星位于華城市的7nm廠預計最快明年量產，并計劃投入56億美元升級晶圓產能，其中三星在韓國華城的S3生產線上部署了由原本的10nm工藝改造而來的ASML NXE3400 EUV光刻機，這條生產線的EUV產能據稱已經達到了大規(guī)模量產的標準。
除此之外，三星還將新建一條EUV工藝專用的產線，計劃在2019年底全面完成后，2020年實現EUV量產。相較之下，臺積電今年才宣布和聯發(fā)科合作試產7nm制程12核心芯片，但根據臺積電10nm今年難產的現狀來看，臺積電的研發(fā)進程顯得相當落后了。
EUV技術是7nm工藝的關鍵
7nm工藝是半導體產業(yè)一個非常重要的轉折點，而要想獲得非常好的良率，引入EUV技術是7nm工藝的關鍵，同時這項技術也是摩爾定律延續(xù)到5nm以下的關鍵技術，引入EUV工藝可以大幅提升性能，縮減曝光步驟、光罩數量等制造過程，節(jié)省時間和成本。不過，引入EUV技術并不容易，其需要投入大量資金購買昂貴的EUV設備，同時需要進行大量的工藝驗證以確保在生產過程中獲得較佳的良率，才能以經濟的成本適用于生產芯片。
EUV技術也叫極紫外光刻技術，它以波長為10－14nm的極紫外光作為光源的光刻技術，極紫外線需要通電激發(fā)紫外線管的K極放射出紫外線。EUV光刻技術也被業(yè)內人稱為下一代半導體工藝的最佳技術選擇。
雖然EUV技術備受關注，但是目前僅有少數廠商掌握其核心技術。對于大多數的半導體制造商而言，EUV光刻的基本設備仍需進步，這樣才能滿足成熟的量產需求。如光刻膠的靈敏度，掩模技術的成熟度，還有需要提升光源的透射率等等，這些都是目前面臨的最大技術難題。
三星采用的是激進式的EUV技術
2018年，三星和高通宣布擴大晶圓代工業(yè)務合作，該合作計劃將長達十年，三星將授權“EUV光刻工藝技術”給高通使用，其中包括使用三星7nm LPP EUV工藝技術制造未來的驍龍5G移動芯片組，預計高通下一代5G移動芯片，將采用三星7nm LPP EUV制程，通過7nm LPP EUV工藝，驍龍5G芯片組可減少占位空間，讓OEM廠有更多使用空間增加電池容量或做薄型化設計。除此之外，結合更先進芯片設計，可明顯增進電池續(xù)航力。
三星如此堅定地在其首個7nm就激進地采用EUV技術，是三星綜合許多因素考慮的結果，包括EUV設備是否準備好，成本、多重曝光復雜性、保真度和間距縮放等。對三星自家的7nm而言，（柵極）間距可以控制在單次曝光，這使得整個光刻工藝流程減少了與曝光相關的大部分設計復雜性，這也恰恰說明三星內部開發(fā)的EUV光罩檢測工具，是三星的一個重要優(yōu)勢。目前市場還沒有類似的商業(yè)工具被開發(fā)出來，不僅如此，三星也在開發(fā)EUV微影光阻劑，并有望在今年稍晚達到大規(guī)模量產要求的目標良率。
EUV技術的進展還是比較緩慢的，而且將消耗大量的資金。盡管目前很少廠商將這項技術應用到生產中，但是極紫外光刻技術卻一直是近些年來的研究熱點，所有廠商對這項技術也都充滿了期盼，希望這項技術能有更大的進步，能夠早日投入大規(guī)模使用。各家廠商都清楚，半導體工藝向往下刻，使用EUV技術是必須的。在摩爾定律的規(guī)律下，以及在如今科學技術快速發(fā)展的信息時代，新一代的光刻技術就應該被選擇和研究，因為EUV與其他技術相比有明顯的優(yōu)勢。比如，EUV的分辨率至少能達到30nm以下，且更容易收到各集成電路生產廠商的青睞；EUV是傳統(tǒng)光刻技術的拓展，同時集成電路的設計人員也更喜歡選擇這種全面符合設計規(guī)則的光刻技術；EUV技術掩模的制造難度不高，具有一定的產量優(yōu)勢等。
雖然半導體摩爾定律終將會失效，但是EUV技術帶來的進步仍讓廠商期待這個定律的延續(xù)。未來，EUV技術定會成為這些廠商重點研究的一門技術，三星激進式的做法是否是正確的決策，還有待時間的驗證。