Samsung wil 4 nm-chips produceren voor 2020

Samsung kon eind vorig jaar uitpakken met het eerste operationele 10 nm-bakproces voor chips. Hoewel het nog tot de lancering van de Galaxy S8 duurde alvorens die chips in een toestel zaten dat je effectief kon kopen, toonde Samsung zich een absolute leider in de semiconductormarkt. Zo heeft Intel, dat sinds jaar en dag als eerste met een nieuw proces op de proppen kwam, nog steeds geen 10 nm-cpu’s in de markt. Hoe accuraat dat meetsysteem is, betwist Intel zelf, maar wat Samsungs drang naar innovatie betreft is dat niet zo van belang.

Kleine ambities

Directe concurrenten van Samsung zijn echter TSMC en Global Foundries, niet zozeer Intel. Zolang de Koreaanse semiconductorreus voorloopt op hen, is het de aantrekkelijkste partner voor chipdesigners die snel de efficiëntievoordelen van een procesverkleining willen implementeren, zoals Qualcomm. Samsung, dat dezer dagen ongeziene winsten haalt uit zijn semiconductorfabs, wil zijn huidige positie in de markt behouden en mikt daarom op een strak innovatietempo. Het bedrijf deed zijn ambities uit de doeken aan Extreme Tech.

In de loop van volgend jaar al wil Samsung Semiconductor starten met de initiële productie van 7 nm-chips. Let wel: het gaat daarbij nog niet om productie op volume. Bovendien moet je rekenen op een vertraging van ongeveer een half jaar tussen volumeproductie en de verschijning van elektronica met nieuwe chips in de winkel. Dat komt omdat hardwarefabrikanten pas echt aan de slag gaan met nieuwe chips wanneer de productie op pijl staat, waardoor het onvermijdelijk een tijdje duurt alvorens smartphones of laptops echt klaar zijn voor verkoop.

In 2019 wil Samsung de initiële productie van 6 nm en 5 nm-chips starten. De fabrikant gaat er van uit dat de huidige finFET-transistortechnologie tot dat formaat volstaat. In 2020 moet dan de productie van de eerste 4 nm-chips van start gaan. Om ongewenste kwantumeffecten te vermijden, waarbij elektronen door de transistorpoort springen, rekent Samsung op de Gate All Around (GAA)-technologie als opvolger van FinFET. De vooropgestelde tijdslijn is, op z’n zachtst gezegd, ambitieus.

Extreme UV

Het grootste probleem is de implementatie van nieuwe technologie. Om het bakproces te verkleinen naar 7 nm of zelfs minder, moet Samsung beroep doen op Extreme UV-technologie. Dat is de opvolger van Deep UV, waarmee chipbakkers vandaag aan de slag gaan. Chips worden laag na laag opgebouwd met de hulp van lithografietechnieken, waarbij (onzichtbaar) licht doorheen een masker op een chip in wording wordt geprojecteerd. Dat masker bevat een stuk van de blauwdruk van de chip en houdt een deel van het licht tegen. Waar licht wel op de chip komt, werkt het in op een chemische grondstoflaag die vervolgens verhard of net weggespoeld wordt. Zo worden transistors en interconnects (kort door de bocht) stap na stap opgebouwd. We gaan dieper in op de techniek in dit artikel.

Omdat componenten op een chip vandaag nauwelijks enkele atomen groot zijn, gooit de golflengte van diep UV-licht roet in het eten. Ze is te groot om nauwkeurig een masker te projecteren op een chip zodra de ‘resolutie’ van het bakproces te klein wordt. Vergelijk het een beetje met een erg fijne kleurprent: die kan je niet inkleuren met een dikke stift, je hebt er een dun potlood voor nodig. Deep UV is in dit geval de te dikke stift, Extreme UV het fijne potlood.

De EUV-technologie staat momenteel in haar kinderschoenen. De machines, die ontwikkeld worden door ASML in Nederland en getest worden door onder andere imec in Leuven, zijn enorm duur en complex. Om de planning niet op de helling te zetten, moet Samsung de machines volgend jaar al inwerken in de productielijn van één van zijn fabs.

Samsung lijkt vastbesloten om te investeren in R&D om eerst te zijn met de implementatie van de nieuwe technologie. Dat die investering zijn vruchten afwerpt, is intussen duidelijk. De vraag is alleen hoe realistisch de tijdslijn van de Koreanen is.