三星首次實現(xiàn)EUV光刻設備量產線進行半導體生產

2020年3月25日，三星電子（Samsung Electronics）公開透露，在半導體生產的主要工序中首次采用了新一代“EUV（極紫外線）”光刻設備的量產線。成為在半導體存儲芯片領域，全球首家使用EUV光刻設備。

EUV是波長只有13.5納米（納米為10億分之1米）的極短極紫外線。EUV光刻設備被用于在硅晶圓上刻出半導體線路的重要工序，能夠以更短時間刻畫出細微電路，從而降低制造成本。

EUV極紫外光刻機一直是全球芯片制造商最為心儀的神品，三星電子一直有興趣引進EUV極紫外光刻機，但是迫于業(yè)績形勢，總是下不了決心，到了2020年3月25日，終于耐不住寂寞，對外公布了引進新一代EUV極紫外光刻機的事情。

新廠落成前▼

新廠落成后▼

對于EUV極紫外光刻機的熱衷，如全球半導體領導型制造企業(yè)TSMC臺積電，屬于全球引入EUV極紫外光刻機非常積極的，到目前為止臺積電在發(fā)展5nm、7nm、10nm等工藝上，一直都對EUV光刻機十分器重，當然也為此帶來了非常可觀的收獲。所謂大投入大風險自然有大收獲。

如此來看，在芯片制造工藝的創(chuàng)新引入上，臺積電明顯更為積極，而三星電子這樣的保守派也積極引入新一代EUV極紫外光刻機，這對于全球半導體制造產業(yè)帶來了利好消息。

只是在2019年8月臺積電就已經對外宣布，N7+ 7nm+工藝已經大批量供應給客戶，也就成為該公司乃至全產業(yè)首個商用EUV極紫外光刻技術的工藝。

EUV光刻采用波長為10-14nm的極紫外光作為光源，可使曝光波長直接降到13.5nm，從而可以更快推進半導體設計研發(fā)，推動更先進工藝帶來更好性價比芯片產品的量產。

其實，在光刻機新技術引進上，三星電子也做了鋪墊的。據2019年9月份外媒消息，Samsung Foundry三星晶圓廠在韓國京畿道華城（Hwaseong）建立了另一條生產線V1，該生產線從一開始就為EUV工具設計，此后將大幅增加EUV光刻機的使用量。這家工廠將耗資6萬億韓元（46.15億美元），預計2019年完工，2020年才會HVM大規(guī)模量產。不過，2020年3月9日消息說韓國三星電子京畿道華城市（Hwaseong）芯片工廠在3月8日發(fā)生火情，雖然對芯片生產沒有造成影響，但也讓業(yè)界膽戰(zhàn)心驚了一下。

回顧一下，利用極紫外光刻技術進行芯片商業(yè)化生產是從1985年開始的，至今有33年的發(fā)展，對整個全球半導體制造行業(yè)的發(fā)展帶來了非常大的影響。最終，EUVL有望在生產復雜的芯片晶圓時減少多次曝光（multi-patterning），從而簡化設計過程，提高產量，縮短周期時間。

這里大家可以了解一下多次曝光（multi-patterning），什么叫多次曝光（multi-patterning）？比如生產wafer（晶圓）時，如果實現(xiàn)一次曝光，那么一臺機器一天可以生產4000片wafer（晶圓）。一旦曝光次數增加，比如需要兩次曝光，那么這臺機器一天就只能生產2000片wafer（晶圓）。自然多次曝光（multi-patterning對產量、成本都有直接的影響。

但是，同樣位于韓國京畿道華城（Hwaseong）三星晶圓廠的S3生產線安裝了EUV設備，該廠仍有大量DUV（深紫外）光刻機設備。2018年10月，三星電子在S3生產線上使用了EUV光刻機來實現(xiàn)7nm LPP制造工藝生產芯片，7LPP制造技術對移動SoC設計的10LPE有一定優(yōu)勢。7nm LPP制造工藝技術使用了極紫外光刻（ EUVL： Extreme Ultraviolet Lithography ）制作選擇層，能夠減少每個芯片所需要的掩模數量，從而縮短芯片的生產周期。

進一步分析來看，與10LPE相比，7LPP制造技術可以在同樣的復雜度下使面積減少40%，在同樣的頻率和復雜度下功耗降低50%，在同樣的功率和復雜度下性能提高20%。使用極紫外光刻技術對選定層進行曝光，使三星能夠在下一代SoC中放置更多的晶體管，并降低其功耗，這對于未來旗艦智能手機中使用的移動SoC來說是一個非常有說服力的事情。

不過，該工廠同時還有多臺ASML Twinscan NXE:3400 BDUV（深紫外線）光刻機設備。當時三星電子就想進一步擴大7LPP工藝技術產量，也就是需要擴充更多的EUV光刻機，只是受制于業(yè)績帶來的投資預算有限，也就擱淺到了2019年底才得以實現(xiàn)。也是真不容易。業(yè)界的Arm、Mentor、Synopsys、Ansys、Cadence、SEMCO等合作伙伴都受益于S3生產線的7LPP制造技術。

后來，三星干脆單獨建立了一條基于EUV的生產線，一直到了2020年3月，三星電子真正宣布立足EUV光刻機技術的芯片制造才開始批量生產。由此，到2020年底，三星7nm以下的EUV容量將增加兩倍，并在2020年在第一季度開始從V1生產線推出第一批7納米和6納米的移動芯片。

當然V1是三星第一條致力于極紫外（EUV）光刻技術的半導體生產線，采用7納米及以下工藝節(jié)點生產芯片。V1線于2018年2月破土動工，并于2019年下半年開始測試晶圓生產。它的第一批產品將在2020年第一季度交付給客戶。

三星電子在半導體領域有著技術領先和設計創(chuàng)新的基因，同時在芯片制造基礎設施上的專注。隨著三星加大生產，V1生產線將增強應對市場需求的能力，并擴大支持客戶的機會。

之前，三星芯片制程工藝將3nm都規(guī)劃了進來。

V1生產線目前正在生產最先進的移動芯片，采用7和6nm工藝技術，并將繼續(xù)采用更精細的電路，直至3nm工藝節(jié)點。

到2020年底，按照三星的計劃，V1生產線的累計總投資將達到60億美元，7nm及以下工藝節(jié)點的總產能預計將比2019年增加兩倍。與S3生產線一起，V1生產線預計將在應對快速增長的全球市場發(fā)揮關鍵作用。

隨著半導體幾何尺寸越來越小，采用EUV光刻技術變得越來越重要，因為它可以縮小硅片上復雜模式的比例，畢竟5G、AI和汽車等下一代應用的功能日益增強、復雜度持續(xù)提高，而芯片的尺寸要求持續(xù)縮小。

隨著V1生產線的投入運營，三星目前在韓國和美國共擁有6條生產線，其中包括5條12英寸生產線和1條8英寸生產線。

2019年三星電子研發(fā)支出20.1萬億韓元，占營收8.8%，只是在光刻機的引進上需要加快具體應用落地帶來生產降本增效。從中不難發(fā)現(xiàn)，三星電子的迎頭趕上，在2020年有望為全球半導體帶來上升勢頭，畢竟三星電子總體營收規(guī)模來看，已經位于全球第一，2019年的營收將為229.52萬億韓元，約1956億美元，約合人民幣1.35萬億元。雖然比2018年業(yè)績下降明顯，但老大位置卻穩(wěn)坐住了。

此外，臺積電2019年全年營收346億美元，略高于2018年，約合人民幣2447億元。

雖然未來5年有能力投入先進制程的晶圓代工廠除了臺積電、三星電子，也就只有英特爾了。但是目前三星電子也將英特爾甩在身后了，因為2019英特爾營收719.65億美元，約合人民幣5089億元。

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