IC業(yè)發(fā)展模式孕育新一輪變革 面臨三大難題

　　半導體業(yè)已經(jīng)邁入14nm制程，2014年開(kāi)始量產(chǎn)。如果從工藝制程節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，傳統的光學(xué)光刻193nm浸液式采用兩次或者四次圖形曝光(DP)技術(shù)可能達到10nm，這意味著(zhù)如果EUV技術(shù)再次推遲應用，到2015年制程將暫時(shí)在10nm徘徊。除非等到EUV技術(shù)成熟，制程才能再繼續縮小下去。依目前的態(tài)勢，即便EUV成功也頂多還有兩個(gè)臺階可上，即7nm或者5nm。因為按理論測算，在5nm時(shí)可能器件已達到物理極限。

　　工藝尺寸縮小僅是手段之一，不是最終目標。眾所周知，推動(dòng)市場(chǎng)進(jìn)步的是終端電子產(chǎn)品的市場(chǎng)需求，向著(zhù)更小、更輕、更低成本、更易使用的方向邁進(jìn)。IDC于今年發(fā)布的關(guān)于2020年時(shí)全球智能設備的預測數據顯示，一是互聯(lián)網(wǎng)使用人數將達40億，二是產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售額達4萬(wàn)億美元，三是嵌入式終端裝置達250億臺，四是需要處理的數據量達50萬(wàn)億GB，五是全球應用達到2500萬(wàn)個(gè)。

　　近段時(shí)間以來(lái)，全球能夠繼續跟蹤先進(jìn)制程的廠(chǎng)家數量越來(lái)越少，集中在幾家龍頭大廠(chǎng)，分別為做邏輯的英特爾，做存儲器的三星、SK海力士、東芝、閃迪以及做代工的TSMC、格羅方德等，業(yè)界盛傳的三足鼎立架構已經(jīng)基本形成。它們發(fā)展的驅動(dòng)力主要是為了保持龍頭地位，防止追隨者超過(guò)它們。所以在大多情況下，它們的持續投資與跟進(jìn)是必需的，雖與工藝尺寸縮小的驅動(dòng)力有關(guān)，但并不明顯。因為即便摩爾定律已到達終點(diǎn)，對于它們的影響都甚微。

　　另外，除了FinFET(3D)、UT SOI(超薄絕緣層上硅)等工藝之外，從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)說(shuō)，在未來(lái)的10年間全球半導體業(yè)中尚有三大技術(shù)，可能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現又一輪高增長(cháng)，包括450mm硅片、EUV光刻及TSV的2.5D和3D封裝，它們都涉及整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作問(wèn)題，非單個(gè)企業(yè)的能力能解決。

　　向450mm硅片過(guò)渡有波折

　　由于研發(fā)經(jīng)費不足，目前說(shuō)450mm設備開(kāi)發(fā)已經(jīng)具備條件是不客觀(guān)的，似乎各家廠(chǎng)商正在等待發(fā)令槍聲的到來(lái)。

　　450mm硅片的命運從開(kāi)始就是坎坷的，與300mm硅片相比，業(yè)界的質(zhì)疑聲不斷，歸納起來(lái)有以下兩個(gè)方面：一是在“大者恒大”的局面下，還有多少客戶(hù)能下訂單?而開(kāi)發(fā)450mm設備需要投資約200億美元，它的回報率在哪里?二是設備大廠(chǎng)缺乏積極性。

　　開(kāi)發(fā)尚不具備條件

　　存儲器業(yè)自2007年由200mm向300mm硅片過(guò)渡，近期半導體設備業(yè)基本上除了200mm設備的翻新業(yè)務(wù)之外，幾乎已全是300mm設備的訂單。設備業(yè)經(jīng)過(guò)一次又一次的兼并重組，目前能幸存下來(lái)的都是各類(lèi)別身經(jīng)百戰的佼佼者。近期它們的日子也不好過(guò)，面臨的形勢也十分嚴峻，如不加入到450mm行列，就等同于自動(dòng)出列。因此，近兩年來(lái)自設備大廠(chǎng)的反對聲浪已經(jīng)幾乎消停，但是苦于研發(fā)經(jīng)費的不足，態(tài)度也不十分積極。

　　由于設備產(chǎn)業(yè)的特殊性，它們必須要走在技術(shù)的最前列，因此芯片制造業(yè)不得不依賴(lài)于此。根據300mm硅片設備開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗，450mm設備不是能簡(jiǎn)單地把腔體放大就能解決問(wèn)題的?？梢韵胍?jiàn)，目前客戶(hù)的訂單會(huì )集中在14nm甚至10nm(根據它的導入時(shí)間推算)制程，采用FinFET或者UT SOI等工藝，所以許多設備要重新進(jìn)行設計，至少硅片上的缺陷密度要減少兩個(gè)數量級。加上綠色產(chǎn)業(yè)的需要，無(wú)論是在設備的耗電量、耗水量、體積大小、重量等方面都要有大的改進(jìn)。

　　所以目前關(guān)于450mm設備的進(jìn)展除了EUV光刻機能吸引人們眼球之外，其他僅有測量設備等有些報道，也并不多見(jiàn)，相信各家廠(chǎng)商都在暗自發(fā)力。然而由于研發(fā)經(jīng)費的不足，目前說(shuō)450mm設備開(kāi)發(fā)已經(jīng)具備條件是不客觀(guān)的，似乎各家廠(chǎng)商正在等待發(fā)令槍聲的到來(lái)。

　　臺積電450mm計劃資深總監游秋山博士于去年提及了公司內部對于18英寸晶圓設備設定的目標，希望與12英寸設備相比，整體設備效率能于2018年提升1.1倍、2020年提升至1.8倍。此外，設備價(jià)格降低70%，尺寸縮小2/3，以及平均每片晶圓能維持與300mm設備相同的水電消耗量。

　　突破需共擔風(fēng)險

　　450mm硅片的進(jìn)程要看何時(shí)業(yè)界的第一條及第二條引導線(xiàn)(或者生產(chǎn)線(xiàn))運行之后，能夠實(shí)現產(chǎn)業(yè)預期的芯片成本下降目標。等到設備真要放量擴產(chǎn)時(shí)，設備制造商與芯片制造商之間可能會(huì )依EUV的發(fā)展模式再次聯(lián)合起來(lái)。

　　原因十分簡(jiǎn)單，全球共有不到10家客戶(hù)，要迅速實(shí)現突破，在缺乏經(jīng)費的情形下，不下工夫是肯定不會(huì )成功的，所以一定要共擔風(fēng)險。另外與300mm硅片設備相比較，進(jìn)展也不可太快，萬(wàn)一成本下降效果不是十分明顯的話(huà)，那些芯片制造商購買(mǎi)時(shí)就會(huì )很猶豫，導致最初的訂單數量不會(huì )太多。而設備是一定要經(jīng)過(guò)客戶(hù)的試用之后，累積經(jīng)驗才能發(fā)現問(wèn)題、予以改進(jìn)。兩者之間是魚(yú)水的關(guān)系，但是各有自己的經(jīng)濟利益考量。

　　因此，對于全球半導體業(yè)向450mm硅片過(guò)渡的前景還是客觀(guān)一些為好，事情可能會(huì )有波折，原因是半導體技術(shù)的先進(jìn)性、復雜性要求已很高，而設備業(yè)準備并不很充分。

　　另?yè)?，英特爾近日確認，位于美國俄勒岡州的Fab 1DX二期工程已經(jīng)破土動(dòng)工，這也是全球第一座將會(huì )用來(lái)生產(chǎn)450mm大尺寸晶圓的工廠(chǎng)。

　　EUV光刻“好日子”即將到來(lái)?

　　EUV光刻已引起半導體業(yè)界的特別重視，有希望在2015年或者2016年相當于在10nm制程時(shí)代導入。

　　EUV光刻技術(shù)相對來(lái)說(shuō)還算是幸運的，由于光源功率一再推遲，影響了進(jìn)程，促使英特爾、臺積電及三星紛紛解囊投資入股ASML，支持它的研發(fā)。

　　ASML于今年6月兼并了一家提供光源的公司Cymer，似乎已再無(wú)其他說(shuō)辭，看來(lái)此次EUV光刻設備一定要成功。

　　解決光源功率和掩膜缺陷

　　EUV技術(shù)原本被寄希望于在65nm技術(shù)節點(diǎn)被采用，但是隨著(zhù)浸液式光刻、雙重圖形等技術(shù)的不斷涌現，它嶄露頭角的日子被不斷推遲。甚至有人質(zhì)疑是否真的需要EUV?時(shí)至今日，在14nm甚至10nm制程步步緊逼的時(shí)候，是不是意味著(zhù)EUV的“好日子”即將到來(lái)?

　　目前EUV技術(shù)的現狀仍存在兩個(gè)大問(wèn)題，即EUV光源功率不夠以及光刻掩膜的缺陷問(wèn)題。

　　相對于目前的投影式光學(xué)系統而言，EUV掩膜板將采用反射技術(shù)，而非透射技術(shù)。要使EUV順利進(jìn)入量產(chǎn)，無(wú)缺陷的掩膜是必不可少的，如何解決掩膜板表面多層抗反射膜的無(wú)缺陷問(wèn)題成為關(guān)鍵。EUV掩膜板的制作一般是采用多層堆疊的Mo/Si薄膜，每一Mo層與Si層都必須足夠平滑，誤差容許范圍為一個(gè)原子大小。如果掩膜上存在大顆粒時(shí)，通常需要采用掩膜修正技術(shù)進(jìn)行處理。另外，掩膜版還涉及儲存、運輸等難題。

　　最新的數據要求認為，最終EUV量產(chǎn)時(shí)缺陷密度的目標可放松到0.01defects/cm2即可。但如今的EUV掩膜缺陷仍高達1defect/cm2，相差兩個(gè)數量級，可見(jiàn)任務(wù)還非常艱巨。

　　EUV光刻反射式掩膜技術(shù)的難點(diǎn)在于掩膜白板(blank)的制備，包括缺陷數的控制以及無(wú)缺陷多層膜的制備。根據掩膜圖形成型方法的不同，其制備方法主要分為：離子束直接刻蝕法、離子注入法、Liftoff法、吸收層干刻法。吸收層干刻法不僅在工藝上切實(shí)可行，而且有利于缺陷的檢測和修補，是最為理想的掩膜制作方法。

　　另外，制作出無(wú)瑕疵的掩膜坯(mask blank)則是另外一個(gè)EUV光刻技術(shù)走向成熟需要解決的主要問(wèn)題。有分析說(shuō)，經(jīng)過(guò)多年研究，業(yè)內制作光掩膜襯底的瑕疵水平已經(jīng)達到每片24個(gè)瑕疵，這樣的瑕疵控制水平對于存儲器的制造來(lái)說(shuō)已經(jīng)可以滿(mǎn)足要求，但是仍無(wú)法滿(mǎn)足制作邏輯芯片的要求。

　　到2013年，6反射鏡設計的EUV光刻系統的數值孔徑NA可從現有的0.25水平增加到0.32(通過(guò)增大鏡徑等手段)。如果再進(jìn)一步發(fā)展下去，通過(guò)8反射鏡設計并采用中心遮攔技術(shù)的EUV光刻系統的NA值則可達到0.7左右。

　　比如在掩膜板技術(shù)方面，業(yè)內領(lǐng)先的掩膜坯提供商Hoya公司一直都在研究超低熱脹率的掩膜坯材料，這種掩膜坯并不采用傳統的石英襯底材料制作。

　　另外，由于所用的照明光能量很容易被材料吸收，因此多年來(lái)人們一般認為EUV光刻適用的掩膜板很難通過(guò)加裝掩膜板的保護膜的方法來(lái)防止顆粒沾染。而目前已經(jīng)有研究人員在研制硅材質(zhì)的掩膜板保護膜方面取得了一些進(jìn)展。對于目前條件下EUV光刻系統用的掩膜板而言，平均使用25次就會(huì )沾染上一個(gè)污染物顆粒，因此需要通過(guò)特殊的清潔處理來(lái)保證掩膜板的清潔，而這種清潔處理則不僅增加了成本，而且還會(huì )影響到掩膜板的質(zhì)量。

　　有望在10nm制程導入

　　EUV光刻機制造商ASML在2013年展覽會(huì )的演講中表示，其第二代NXE 3300B的EUV光刻機已經(jīng)出貨9臺給芯片制造商。在2014年時(shí)NXE 3300B中的光源功率可以達到50W，相當于43WPH水平。而100W光源可能要到2015年或者2016年實(shí)現，相當于73WPH水平。至于何時(shí)出現250W EUV光源目前無(wú)法預測，除非100W光源開(kāi)發(fā)成功，并有出彩的表現。不太相信未來(lái)光刻機能達到500W光源，雖然寫(xiě)進(jìn)路線(xiàn)圖中是容易的，但是未來(lái)能否實(shí)現是個(gè)大問(wèn)題。

　　只要實(shí)現73WPH，即可認為EUV已達到量產(chǎn)水平，因為與多次曝光技術(shù)相比，其成本已然下降。在10nm節點(diǎn)以下，如果繼續釆用DP技術(shù)，則需要4倍甚至8倍圖形成像技術(shù)。

　　EUV光刻已引起半導體業(yè)界的特別重視，目前在英特爾等大佬的支持下經(jīng)費也能保證，所以有希望在2015年或者2016年相當于在10nm制程時(shí)導入。但是EUV光刻原理與傳統的光學(xué)光刻工藝不同，所以一旦導入，將會(huì )引起半導體制造業(yè)的“騷動(dòng)”，它的磨合過(guò)程需要多久，尚不便預測。但是相信由此新一輪尺寸縮小的序幕將拉開(kāi)，可能推動(dòng)半導體業(yè)再次高增長(cháng)。

　　TSV封裝帶來(lái)新游戲規則

　　各種TSV裝技術(shù)的成功量產(chǎn)商用，將會(huì )帶來(lái)一種新的游戲規則，封裝革命已是一種最好的超越對手的方式。

　　近期半導體業(yè)發(fā)展中有兩大趨勢即SoC系統級芯片及SiP系統級封裝。按邏輯思維，SoC是通過(guò)IC設計方法把多個(gè)芯片功能集成在一起，因此對于IC設計、驗證及測試等都提出了新的挑戰，所以SoC比較適用于量大面廣的芯片，否則成本降不下來(lái)。SiP是利用封裝技術(shù)，實(shí)現多個(gè)芯片而且是異質(zhì)架構產(chǎn)品的集成，由此SiP又可延伸為采用TSV的2.5D與3D封裝技術(shù)，十分類(lèi)似于多層印制板電路產(chǎn)品。3D封裝的原理概念早已提出，然而涉及標準、產(chǎn)業(yè)分工等問(wèn)題，產(chǎn)業(yè)化過(guò)程緩慢。如今業(yè)界對于3D封裝寄予厚望，認為將掀起半導體業(yè)中超越摩爾定律的又一次革命。

　　封裝技術(shù)掀起革命

　　所謂2.5D是將多顆主動(dòng)IC并排放到被動(dòng)的硅中介層上，因為硅中介層是被動(dòng)硅片，中間沒(méi)有晶體管，不存在TSV應力以及散熱問(wèn)題。通過(guò)多片FPGA的集成，容量可以做到很大，避開(kāi)了新工藝大容量芯片的良率爬坡期，并因解決了多片FPGA的I/O互連問(wèn)題而大幅降低了功耗。

　　3D是指把多層芯片采用微凸塊及硅通孔技術(shù)(TSV)堆疊在一起。微凸塊是一種新興技術(shù)，面臨非常多的挑戰。一是兩個(gè)硅片之間會(huì )有應力，舉例來(lái)說(shuō)兩個(gè)芯片本身的膨脹系數有可能不一樣，中間連接的微凸塊受到的壓力就很大，一個(gè)膨脹快，一個(gè)膨脹慢，會(huì )產(chǎn)生很大的應力。二是在硅通孔時(shí)也會(huì )有應力存在，會(huì )影響周?chē)w管的性能。三是熱管理的挑戰，如果兩個(gè)都是主動(dòng)IC，散熱就成為很大的問(wèn)題。所以行業(yè)需要解決上述三個(gè)重要挑戰，才能實(shí)現真正的3D封裝。

　　一般在晶圓制造CMOS結構或者FEOL步驟之前完成硅通孔，通常稱(chēng)作Via first。因為T(mén)SV的制作在fab的前道工藝即金屬互聯(lián)層之前進(jìn)行，此種方式在微處理器領(lǐng)域研究較多，可作為SoC的替代方案。

　　而將TSV放在封裝階段，通常稱(chēng)之為Via last。這種方式的優(yōu)勢是可以不改變現在的IC制造流程和設計。采用Via last技術(shù)即在芯片的周邊進(jìn)行通孔，然后進(jìn)行芯片或者晶圓的多層堆疊。此種方式目前在存儲器封裝中盛行。

　　TSV通孔工藝需要幾何尺寸的測量，以及對于刻蝕間距和工藝可能帶來(lái)的各種缺陷檢測。通常TSV的孔徑在1~50微米，深度在10~150微米，縱寬比在3~5甚至更高。每個(gè)芯片上通孔大約在幾百乃至上千個(gè)。

　　目前能實(shí)現3D封裝的只是存儲器芯片，如東芝于2013年2月采用19nm空氣隔離技術(shù)生產(chǎn)出64GB與128GB的NAND閃存，并通過(guò)減薄至30微米，將16層芯片堆疊于一體，采用引線(xiàn)鍵合方法，作成容量達1024GB的薄型封裝。

　　三星也于2013年8月宣布開(kāi)始量產(chǎn)128GB NAND 3D閃存。而意法半導體的MEMS也實(shí)現了3D封裝，因為它面臨的發(fā)熱等問(wèn)題小一些。

　　面臨三大難題

　　如果我們無(wú)法解決價(jià)格問(wèn)題，那么TSV的發(fā)展道路將更加漫長(cháng)。目前TSV在價(jià)格與成本之間仍然存在極大的挑戰，加上新技術(shù)的不確定性所隱含的風(fēng)險，以及實(shí)際的量產(chǎn)需求，形成了TSV技術(shù)所面臨的三大難題。

　　部分業(yè)界人士認為，到2014年，智能手機用的移動(dòng)應用處理器可能會(huì )采用TSV技術(shù)，成為率先應用TSV量產(chǎn)的產(chǎn)品。日本JEDEC正在擬訂一個(gè)支持TSV的Wide I/O存儲器界面的方案，其目標是成為下一代采用層疊封裝(PoP)的低功耗DDR3連接的繼任技術(shù)。

　　市場(chǎng)調研機構Yole Developpement稍早前發(fā)布了一份針對3D IC與硅通孔(TSV)的調查報告指出，2011年所有使用TSV封裝的3D IC或3D-WLCSP平臺(包括CMOS影像感測器、環(huán)境光感測器、功率放大器、射頻和慣性MEMS元件)等產(chǎn)品產(chǎn)值約為27億美元，而到了2017年，產(chǎn)值可望增長(cháng)到400億美元，占總半導體市場(chǎng)的9%。

　　因此，從目前掌握的情況看，要實(shí)現異質(zhì)架構的、不同IC之間的真正3D封裝，至少還需要3~4年的時(shí)間。無(wú)論是2.5D還是3D，各種TSV封裝技術(shù)的成功量產(chǎn)商用，將會(huì )帶來(lái)一種新的游戲規則。在摩爾定律越來(lái)越難走、新的半導體工藝邁向1xnm越來(lái)越昂貴的今天，封裝革命已是一種最好的超越對手的方式。

　　450mm硅片、EUV光刻及TSV 2.5D與3D封裝三大關(guān)鍵技術(shù)本來(lái)互不相干，但是相互之間會(huì )有此消彼長(cháng)的效果。目前究竟那項技術(shù)走在先，尚難說(shuō)清。因為半導體業(yè)是一項規模產(chǎn)業(yè)，僅小批量生產(chǎn)也不行，價(jià)值要體現在銷(xiāo)售額中。

　　近時(shí)期半導體業(yè)的增長(cháng)已趨緩，可能與尺寸縮小面臨極限等因素有關(guān)。相信當三大技術(shù)獲得突破之際，將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入又一輪的高增長(cháng)。然而這三項技術(shù)由于難度都特別大，發(fā)展都不會(huì )一帆風(fēng)順，而在此過(guò)程中半導體產(chǎn)業(yè)將面臨產(chǎn)業(yè)結構與發(fā)展模式等新一輪的重組與變革。