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三星与SK海力士公司高管团队构建“半导体同盟”机制

时间:2023-12-24 18:20:53
应对日本的半导体复兴这对韩国来说是个不小的问题,因为韩国先进芯片制造所需的关键半导体材料大都需要从日本进口,4年前,因为两国政府和民间因一些事端出现对抗情绪,日本切断了向韩国出口相关半导体材料的渠道,特别是光刻胶,韩国的相关技术和产品没有竞争力。

三星与SK海力士公司高管团队构建“半导体同盟”机制

12月中旬,韩国总统尹锡悦与荷兰首相马克·吕特发表联合声明,双方构建“半导体同盟”。双方一致认为,两国在全球半导体供应链中有着特殊的互补关系,并重申构建覆盖政府、企业、高校的半导体同盟的决心。为此,双方商定新设经贸部门之间的半导体对话协商机制,同时推进半导体专业人才培养项目。

陪同尹锡悦出访的还有三星电子和SK海力士公司的高管团队,这两家芯片巨头都是荷兰ASML公司的主要客户。

在变化多端的全球半导体市场,为了帮助由三星电子和SK海力士支撑的韩国半导体产业,尹锡悦走到了前台,凸显出韩国政府对于保持并提升本国半导体竞争力的决心。

几周前,三星电子老板李在镕到荷兰与ASML签署了重要协议。从荷兰返回韩国后,李在镕表示,对与ASML达成的协议感到满意。在EUV争夺战愈加激烈的当下,对于三星、英特尔和台积电这三强来说,谁先拿到ASML最先进的EUV设备,且拿到的尽量多,谁就在未来先进制程芯片竞赛中占得了先机。正因为如此,李在镕,甚至尹锡悦才如此积极地奔走。

据悉,按照协议规定,ASML在5年内将提供总共50套设备(不止EUV光刻机),而每台单价约为2000亿韩元(约为11.02亿元人民币),总价值可达10万亿韩元(约为551亿元人民币)。

01

最先进制程之争

综合三星电子、台积电和英特尔的规划来看,2022-2023年实现3nm制程量产,2025年实现2nm量产。其中,三星台积电的竞争激烈,台积电3nm仍坚持采用改良的晶体管技术,三星则选择技术。目前来看,台积电3nm继续保持市场领先地位,并获得了全球多数大客户的订单。

三星电子在2023年推出了第二代3nm工艺,计划2025年量产2nm,2027年推出1.4nm,到2030年赶上台积电

2025年,三星将推出2nm(SF2)制程,据悉,该工艺将采用背面供电技术,这样可以进一步提升性能,因为供电电路被移到芯片背面,给正面留出了集成更多晶体管的空间。

在2nm制程之后,三星将增加晶体管的纳米片数量,这样可以增强驱动电流,提高性能,因为更多的纳米片允许更多的电流流过晶体管,从而增强其开关能力和运行速度。更多的纳米片还可以更好地控制电流,有助于减少漏电流,从而降低功耗。改进的电流控制也意味着晶体管产生的热量更少,从而提高了电源效率。

据韩国媒体报道,三星晶圆代工部门正在整合优势资源,快速推进其2nm生产计划。

台积电同样计划于2025年推出2nm制程,也将采用纳米片工艺,到那时,三星已经在GAA晶体管方面拥有丰富的经验,这对晶圆代工很有利。因此,三星对2nm制程寄予厚望,无论是工艺技术,还是良率,可以与台积电分庭抗礼。

近期,台积电已经启动了2nm试产的前置作业,预计导入最先进AI系统来加速试产效率。目标是今年试产近千片,试产顺利后,将导入后续建设完成的竹科宝山Fab 20厂,由该厂团队接力冲刺2024年风险试产与2025年量产目标。

02

EUV设备越来越重要

无论是对于攻城的三星电子,还是对于守城的台积电,必须打好2nm制程量产这一仗。而制程越先进,对EUV光刻设备的依赖度越高,此时,ASML占到了舞台中央。

据悉,2024全年,ASML计划生产10台可生产2nm芯片的EUV设备,而英特尔可能已经预先拿到了其中的6台。这种情况下,三星台积电在这方面的竞争会更激烈。

半导体设备领域,韩国在半导体测试等后道设备领域的国产化已经取得重大进展,在前道设备方面,光刻和离子注入机仍处于零国产化的状态。韩国在8大半导体设备方面的国产化率如下:热处理(70%),沉积(65%),清洗(65%),平整化(60%),蚀刻(50%),测量分析(30%),光刻 (0%),离子注入(0%)。

因此,三星需要将更多的EUV和离子注入设备,以及后续服务和技术支持引入到韩国本土,以提升其先进制程工艺的开发和量产效率。为此,三星电子与ASML签署了一份价值1万亿韩元(7.55 亿美元)的协议。两家公司将在韩国投资建设一家半导体研究工厂,在那里开发EUV技术。三星电子副董事长兼设备解决方案部门负责人 Kyung Kye-hyun 强调,该协议将帮助其获得下一代高 NA(数值孔径)EUV 光刻设备。

在韩国京畿道东滩即将建成的半导体研究工厂中,ASML和三星电子的工程师将共同改进 EUV技术。当然,这并不是要在韩国生产光刻机,而是要与ASML建立更深入的合作伙伴关系,以便三星可以更好地使用最新EUV设备。

03

先进存储芯片也在追求EUV

以上谈的是晶圆代工以及逻辑芯片(CPU、GPU等处理器)采用的先进制程需要更多的EUV设备,除此之外,近些年,先进存储芯片也需要EUV,这方面,三星电子和SK海力士依然是需求大户,这两家与美光科技正在这方面进行竞争。

近些年,存储芯片,特别是DRAM的制程进入了10nm~20nm时代,而且越来越趋近于10nm,这样,常用的DUV光刻机就难以满足最先进制程DRAM的要求,行业三巨头也逐步在产线上引入了EUV设备。

2020年3月,三星电子率先使用EUV光刻机生产DRAM;2021年7月,SK海力士宣布利用EUV量产了内存;2021年10月,三星电子开始用EUV大规模生产14nm制程DRAM。

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制程DRAM量产结果表明,相比于DUV光刻机,EUV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,还可以减少使用的掩模数量,从而减少流程步骤,降低缺陷率,并大幅缩短生产周期。

即使EUV掩模费用(数百万美元)远高于DUV,使用EUV光刻机量产DRAM也具有更高的性价比。

近两年,三星电子和SK海力士将EUV光刻机引入1Znm制程DRAM的量产进展顺利,并演进到了第五代1β制程。相对而言,DRAM三巨头中的美光较为保守,没有立即跟进使用EUV。不过,到了2022年,看到使用EUV生产DRAM的诸多好处后,美光也按耐不住了。

据悉,美光将把EUV光刻机引入到该公司在日本的新产线,投资约36亿美元用于1-Gamma制程工艺,美光可以从日本政府那里获得15亿美元的补贴。

显然,在用EUV制造DRAM方面,韩国两强已经走在了前面。韩国政府出面推动与荷兰和ASML的深度合作,有助于三星和SK海力士存储芯片的后续量产升级。

04

应对日本的半导体复兴

最近,韩国政府如此积极地参与本土半导体产业发展,还有一个刺激因素,那就是日本政府和产业界正在集体行动,想复兴本土的半导体产业。

日本企业曾在全球半导体市场占据主导地位,在上世纪80年代后期占据了50%以上的市场份额,但他们目前的份额已经下降到10%左右。尽管在某些领域仍保持着竞争力,例如功率半导体,以及半导体设备和材料,但总体来看,日本需要的很多品类芯片都依赖进口,特别是先进制程(16nm及以下)芯片,其本土几乎是一片荒漠。

近两年,日本政府一直致力于提升本土先进制程芯片的制造能力,并采取了一系列措施。

为了打造本土半导体供应链,日本政府祭出了大量补贴,不仅吸引台积电落脚日本,力积电也将在宫城县以合资方式与日方合作设厂,加上联电既有的三重县晶圆厂,中国台湾四大晶圆代工厂中,已有三家布局日本。

据悉,台积电熊本新厂主建筑已建设完毕并开始移机,有望于2024年第四季度开始量产。台积电还有可能在日本建第二座晶圆厂。

除了鼓励外企前往当地投资建厂,日本政府还在2022年8月筹组了由丰田、索尼、NTT、NEC、软银、电装(Denso)、铠侠、三菱UFJ等8家日企及官方共同成立的公司,目标是在2025年开始试产2nm芯片,2027年实现量产。

据日本媒体报道,ASML将于2024年在日本北海道设立新的技术支持中心,以协助的2nm晶圆厂安装和维护EUV光刻设备。

董事长东哲郎表示,为了打造最先进芯片制造产线,预计将投资7万亿日元(约合540亿美元),才能在2027年量产。之前,8家参股企业和日本政府提供的补贴资金远远不够。今年4月,日本经济产业省敲定计划,将额外向提供3000亿日元(约22.7亿美元)补贴。但这依然不够,它们需要投下重注。

虽然日本在先进制程芯片方面很弱,但该国在半导体材料方面处于世界领先地位,半导体前段工序常用的材料一共19种,其中14种都由日本企业主导,特别是10nm制程以下的光刻胶,基本上只有日企能够生产。这对韩国来说是个不小的问题,因为韩国先进芯片制造所需的关键半导体材料大都需要从日本进口,4年前,因为两国政府和民间因一些事端出现对抗情绪,日本切断了向韩国出口相关半导体材料的渠道,特别是光刻胶,韩国的相关技术和产品没有竞争力。这使得韩国政府和相关企业,特别是三星电子和SK海力士非常被动。

今年上半年,日本产业革新投资机构(JIC)同意收购光刻胶巨头JSR,它拥有全球三成左右的市场份额。这家投资机构的背后,就是日本政府。

光刻胶是光刻工艺中最为核心的材料,它的纯度、质量直接决定芯片的良率。

三星集团CEO曾表示:“如果缺少光刻胶,那么光刻机就是一堆废铁。”

2019年,日本跟韩国翻脸,日本不准向韩国出口光刻胶,这在很大程度上影响了三星电子先进制程芯片的生产,特别是良率,直线下滑,因为它只能用纯度不够的光刻胶。

韩国深受教训,韩国政府在那时就立志要强化本土半导体材料的供应能力。2022年12月,三星宣布,韩国东进世美肯( )研发的EUV光刻胶已成功应用于芯片生产,东进也是第一家把EUV光刻胶本土化做到量产水平的韩国公司。

在日本实施出口管制之后就开始研发光刻胶,并于2020年聘请ASML Korea前CEO Kim Young-sun为副会长,为进军EUV光刻胶业务打下基础。据韩媒报道, 制定了High NA EUV光刻胶开发路线图,从今年下半年启动研发项目,目标是最快在2025上半年完成技术开发。

05

结语

英特尔的改变,使得先进制程的竞争更加激烈,行业三强将在2nm制程芯片量产时走到历史进程中最接近的时段,无论是技术,还是量产能力,很可能是是几十年来差距最小的,而且是三家同时竞争。

随着应用需求的发展,存储芯片对制程工艺的要求也越来越高,发展到10nm以下先进制程是迟早的事。

日本作为亚洲半导体业曾经的霸主,后来被韩国拉下马,如今,日本又开启了复兴之路。

在以上这些竞争和压力面前,韩国政府和相关企业的竞争意识不断加强,不进则退,需要更多行动和措施,才能保持住它们的行业地位。