晶圓制造作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，發(fā)揮著基礎(chǔ)核心作用。特別是隨著5G、高性能計(jì)算、人工智能的發(fā)展，市場對先進(jìn)工藝的要求越來越高。
在臺積電2020年財(cái)報(bào)中，第四季度采用最先進(jìn)5nm工藝平臺加工晶圓的銷售額占總晶圓收入的20%，7nm和12nm/16nm的銷售額分別占29%和13%。也就是說領(lǐng)先的5nm和7nm節(jié)點(diǎn)占臺積電收入的49%，而高級節(jié)點(diǎn)(5nm、7nm、12nm/16nm)占該公司總收入的62%。
3nm是臺積電和三星兩大半導(dǎo)體制造巨頭當(dāng)前的發(fā)展重點(diǎn)。兩家公司的量產(chǎn)計(jì)劃均落在2022年。工藝尚在試產(chǎn)階段，蘋果公司已經(jīng)為旗下M系列和A系列處理器預(yù)訂采用這種技術(shù)的訂單。先進(jìn)工藝制造在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的重要性，由此可見一斑。
2nm作為3nm之后的下一個(gè)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，也早早進(jìn)入人們的視野。2019年，臺積電便宣布啟動(dòng)2nm工藝的研發(fā)，使其成為第一家宣布開始研發(fā)2nm工藝的公司。
同時(shí)，臺積電將在位于中國臺灣新竹的南方科技園建立2nm工廠，預(yù)計(jì)2nm工藝將于2024年進(jìn)入批量生產(chǎn)。
按照臺積電的說法，2nm工藝研發(fā)需時(shí)4年，最快也得要到2024年才能進(jìn)入投產(chǎn)。這段時(shí)間里5nm工藝乃至3nm工藝均會(huì)成為過渡產(chǎn)品，以供客戶生產(chǎn)芯片的需要。
半導(dǎo)體一向有“大小”節(jié)點(diǎn)之分。

2納米在技術(shù)上革新同樣非常關(guān)鍵。根據(jù)國際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS)的規(guī)劃，在2021～2022年以后，鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)結(jié)構(gòu)將逐步被環(huán)繞式閘極(GAA)結(jié)構(gòu)所取代。
所謂GAA結(jié)構(gòu)，是通過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導(dǎo)電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少漏電流，有效降低芯片運(yùn)算功耗與操作溫度。
目前，臺積電、三星在5nm/7nm工藝段都采用FinFET結(jié)構(gòu)，而在下一世代的晶體管結(jié)構(gòu)的選擇上，臺積電、三星卻出現(xiàn)分歧。
臺積電總裁魏哲家在法說會(huì)上表示，3nm的架構(gòu)將會(huì)沿用FinFET結(jié)構(gòu)。臺積電首席科學(xué)家黃漢森強(qiáng)調(diào)，之所以做此選擇是從客戶的角度出發(fā)。采用成熟的FinFET結(jié)構(gòu)產(chǎn)品性能顯然更加穩(wěn)定。
三星則選擇采用GAA結(jié)構(gòu)。在今年的IEEE國際固態(tài)電路大會(huì)(ISSCC)上，三星首次公布了3nm制造技術(shù)的一些細(xì)節(jié)——3nm工藝中將使用類似全柵場效應(yīng)晶體管(GAAFET)結(jié)構(gòu)。

不過2nm的開發(fā)并不容易，隨著摩爾定律走向物理極限，芯片的制造面臨著技術(shù)與成本的雙重瓶頸。
根據(jù)莫大康的介紹，目前的EUV光刻機(jī)精度仍不足以滿足2nm的需求。光刻技術(shù)的精度直接決定工藝的精度，對于2nm的先進(jìn)工藝，高數(shù)值孔徑的EUV技術(shù)還亟待開發(fā)，光源、掩模工具的優(yōu)化以及EUV的良率和精度都是實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)工藝技術(shù)突破的重要因素。
日前，比利時(shí)微電子研究中心(IMEC)首席執(zhí)行官兼總裁Luc Van den hove表示，該中心正在與ASML公司合作，開發(fā)更加先進(jìn)的光刻機(jī)，并已取得進(jìn)展。
近年來，IMEC一直在與ASML研究新的EUV光刻機(jī)，目標(biāo)是將工藝規(guī)模縮小到2nm及以下。目前ASML已經(jīng)完成了NXE:5000系列的高NA EUV曝光系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，至于設(shè)備的商業(yè)化，要等到至少2022年，而臺積電和三星拿到設(shè)備還要在2023年。
來自制造成本的挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。有數(shù)據(jù)顯示，7nm工藝僅研發(fā)費(fèi)用就需要至少3億美元，5nm工藝平均要5.42億美元，3nm、2nm的工藝起步價(jià)大約在10億美元左右。臺積電3nm工藝的總投資高達(dá)500億美元。目前在建廠方面至少已經(jīng)花費(fèi)200億美元，可見投入之龐大。
“盡管歐洲與日本都表達(dá)了想要在下一個(gè)技術(shù)世代來臨之際，以2納米為切入點(diǎn)，發(fā)展先進(jìn)工藝的計(jì)劃。但如果一旦投入，將面臨用戶從哪里來，如何平衡生產(chǎn)成本等問題?！?莫大康指出。