延續摩爾定律 EUV技術(shù)角色關(guān)鍵

　　臺積電已宣布將在2018年第二代7奈米制程中開(kāi)始導入EUV微影技術(shù)，以做為5奈米全面采用EUV的先期準備。 盡管目前EUV設備曝光速度仍不如期待且價(jià)格極為高昂，但與采用雙重或多重曝光技術(shù)相比，EUV的投資對解決先進(jìn)制程不斷攀升的成本問(wèn)題仍是相對有力的解決方案。

　　每一季的臺積電法說(shuō)會(huì )上，張忠謀董事長(cháng)或是共同執行長(cháng)對于極紫外光(Extreme Ultraviolet, EUV)的發(fā)展進(jìn)度必會(huì )對臺下觀(guān)眾做一專(zhuān)門(mén)的報告，法人代表對于EUV的導入時(shí)程亦表示高度興趣。 到底EUV的發(fā)展對于臺積電未來(lái)發(fā)展甚至是半導體制程到底有甚么樣的影響? 相信這對于摩爾定律的演進(jìn)一定有很重要且深遠的沖擊，不然怎會(huì )讓眾人引頸期盼EUV的導入;屆時(shí)真的可以如共同執行長(cháng)所說(shuō)的在7奈米量產(chǎn)后第二年的加強版制程導入，并于5奈米制程時(shí)全面使用? 屆時(shí)導入時(shí)程還會(huì )被延誤嗎? 從制程成本的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，相信這將會(huì )是箭在弦上，不得不發(fā)的情況。

　　隨著(zhù)制成節點(diǎn)的演進(jìn)，線(xiàn)寬不斷地微縮，制造成本從過(guò)去的線(xiàn)性成長(cháng)到現在的指數型成長(cháng);即便摩爾定律仍舊可以不受到物理極限的影響而得以延續，單位閘極的成本也難以降低甚至是增加，閘極制造成本與制程節點(diǎn)的趨勢如圖1所示;且消費者是否可以接受IC制造成本的上升而導致最終產(chǎn)品價(jià)格的上揚? 都值得令人探討。 消費市場(chǎng)的不穩定，導致各大IC制造廠(chǎng)商是否仍愿意繼續投入巨大的資源進(jìn)行先進(jìn)制程的開(kāi)發(fā)與設備的投資，這種種的問(wèn)題，不斷地困擾IC制造廠(chǎng)商的決策，并影響著(zhù)未來(lái)發(fā)展的走向。

　　圖1 閘極成本與制程節點(diǎn)趨勢圖

　　本文想要探討的并不是EUV是否可如期在5奈米制程中導入，而是想要從制造成本的觀(guān)點(diǎn)來(lái)探討EUV的重要性，各大IC制造廠(chǎng)商為何抱著(zhù)一定要成功的心態(tài)發(fā)展EUV;成功與否為何將會(huì )嚴重地影響到摩爾定律的持續演進(jìn)。

　　晶圓制造成本分析

　　既然本文所要探討的是EUV對晶圓生產(chǎn)成本的影響，那就不得不先解釋晶圓制造成本的主要組成成分，如圖2所示。

　　圖2 晶圓制造成本分析

　　晶圓制造成本主要來(lái)自于設備機臺的折舊。 近年臺積電的資本支出持續地維持在高檔，一年約一百億美元上下，機臺設備的高折舊費用對于財報亦是一股沉重的壓力;假設今年于設備的資本支出為六百萬(wàn)元，預計用五年作為折舊攤提的時(shí)間，故每一年的攤提費用為一百二十萬(wàn)元(600÷5)，每一個(gè)月份則為十萬(wàn)元(120÷12)，每一分鐘的費用則為二點(diǎn)三元(10÷30÷24÷60)。

　　由此可知，生產(chǎn)設備一旦購入，平均分配到每一分鐘，甚至是每一秒，都將會(huì )是成本，而這成本將會(huì )被計入到各晶圓生產(chǎn)成本之上。 根據這樣的會(huì )計原則，相信各位讀者已可以輕松了解到，生產(chǎn)設備越少(注：相對應的即是生產(chǎn)流程越少)將會(huì )大幅度的降低生產(chǎn)成本。 但以上提到了這么多，究竟與EUV的發(fā)展到底有何關(guān)系?

　　目前的先進(jìn)制程，仍是使用浸潤式的曝光機，其實(shí)以其現有光源的波長(cháng)，已無(wú)法滿(mǎn)足現有的制程需求，而必須使用雙重甚至是多重曝光的方式來(lái)達到線(xiàn)寬微縮的目的，雙重曝光與使用EUV制程流程比較如圖3所示。 (多重曝光將會(huì )較雙重曝光更為復雜)。

　　從流程圖上看來(lái)，似乎只是少了幾道制程，其實(shí)在每一道蝕刻、顯影與去光阻等步驟之后都會(huì )有一些清洗制程;為了達到廠(chǎng)商默認的產(chǎn)能，多重曝光所增加的流程步驟勢必將增加更多的蝕刻、清洗設備。 相信各位讀者讀到這已可以與前文互相鏈接了，晶圓制造成本最主要來(lái)自于機臺設備折舊，但如果為了多重曝光添購了許多設備，不只在設備折舊方面的成本增加，多重曝光越來(lái)越復雜的圖形造成曝光次數大大增加，光罩的成本也會(huì )隨著(zhù)倍增;其他在機臺維護、原物料等方面上的支出，也必將有非常顯著(zhù)的增加。

　　全球最大曝光機設備商荷蘭的艾司摩爾(ASML)于2010年時(shí)以一張圖片顯示出EUV在相關(guān)制程設備的所需數量與空間上，具有極大的優(yōu)勢，如圖4所示。 假設月產(chǎn)能十三萬(wàn)片，并使用雙重曝光制程，所需的無(wú)塵室空間約為1,200平方米;但如果使用EUV來(lái)進(jìn)行圖案曝光，所需的無(wú)塵室空間為雙重曝光的一半，約為627平方米，產(chǎn)能卻可提升一倍至每月二十五萬(wàn)片。 相信對于多重曝光來(lái)說(shuō)，所需的無(wú)塵室空間與設備投資應該是更驚人;市場(chǎng)上預估，四重曝光所需的設備支出將會(huì )較現行雙重曝光多出約60%，增加的制造成本反應到終端產(chǎn)品的價(jià)格，消費者是否可以接受，仍須觀(guān)察。

　　另一方面，EUV設備的價(jià)格亦極為驚人，約為一億美元，約當其他微影設備金額的兩倍，并且每小時(shí)的單位產(chǎn)出仍無(wú)法與現行的浸潤式曝光機相比;但從省下的無(wú)塵室空間與額外設備投資的降低觀(guān)點(diǎn)而言，雖然實(shí)際數字需要細算，但相信對于IC制造廠(chǎng)商而言，與多重曝光相比，仍是一項值得投入資源開(kāi)發(fā)的投資。 從以上成本的觀(guān)點(diǎn)看來(lái)，如果EUV未被導入于先進(jìn)制程使用，摩爾定律將會(huì )因不斷墊高的成本而難以延續。

　　EUV設備當前挑戰

　　當然，從以上所提，我們都知道EUV必須要被導入先進(jìn)制程，但其所面臨的挑戰到底為何? 目前，EUV主要面臨的挑戰仍是光源強度的不足，目標是每一小時(shí)可完成約125片晶圓曝光的250W，達此目標即有量產(chǎn)價(jià)值的經(jīng)濟效益;但目前的光源強度為125W，每一小時(shí)約僅可完成65片晶圓的曝光，與目標仍有一段差距，可否于2018年達到如EUV設備廠(chǎng)商ASML所說(shuō)的光源強度250W的目標，值得令人期待。 至于到了2020年，臺積電量產(chǎn)5奈米制程產(chǎn)品時(shí)，或許更可接近現行浸潤式微影的每小時(shí)200片的水平。

　　當眾人目光皆放在設備上的演進(jìn)與開(kāi)發(fā)，其實(shí)在EUV的導入后，線(xiàn)寬的微縮，制程對于缺陷與外來(lái)微粒污染的容忍度將會(huì )大幅降低。 故對于清洗制程的挑戰也將會(huì )伴隨而來(lái);其主要分為兩個(gè)部分：

　　一是曝光顯影后的清洗制程。 當晶圓完成曝光顯影后所伴隨著(zhù)的副產(chǎn)物生成，是否可被完整的清洗，必定將會(huì )影響到后段蝕刻及其他制程的表現，進(jìn)而影響到IC產(chǎn)品的良率。

　　二是EUV光罩的清洗與保存。 光罩是決定晶圓上圖案的關(guān)鍵;請試想當光罩上存在著(zhù)一顆微粒子，這是否會(huì )被轉移到晶圓上? 想當然答案是肯定的。 那么在光罩使用后的清洗與保存，將會(huì )是另一外一個(gè)挑戰。

　　另外其他的挑戰將會(huì )是來(lái)自于制程整合，蝕刻制程是否可以消弭因EUV所造成線(xiàn)寬邊緣粗糙度(Line Edge Roughness, LER);化學(xué)機械研磨(Chemical Mechanical Planarization, CMP)是否會(huì )因為線(xiàn)寬而造成凹陷(Dishing)等其他問(wèn)題，將會(huì )如雨后春筍一般地冒出來(lái)。

　　EUV發(fā)展令人期待

　　制程的演進(jìn)，線(xiàn)寬的微縮，伴隨而來(lái)的是巨大人力以及物力的投資，投入的金額更是令人難以想象，而其中最重要的一部分則是制程材料與設備的開(kāi)發(fā);這些投入的成本，最終將會(huì )轉嫁到消費者身上，消費者是否接受將有可能會(huì )嚴重影響廠(chǎng)商的決定;每一次的投資或是發(fā)展決策，迎來(lái)的是繁榮或衰敗，將反映著(zhù)決策的正確與否，故隨時(shí)必須保持著(zhù)亦步亦趨，如履薄冰的態(tài)度， 審慎面對。

　　從急劇增加的生產(chǎn)成本角度看來(lái)，EUV絕對會(huì )是推進(jìn)摩爾定律的重要因素之一，但除了EUV本身設備的開(kāi)發(fā)與挑戰，制程整合亦是另一巨大的挑戰;例如晶圓的清洗制程，光罩的清洗與保存，甚至是后面的蝕刻或化學(xué)機械研磨等等，都必須要與EUV一同開(kāi)發(fā)。

　　新科技總是讓人感到興奮，但其中仍有許多惱人的挑戰必須克服，我們樂(lè )見(jiàn)摩爾定律繼續地被推進(jìn)，相信相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì )再一次的被帶動(dòng)，值得令人期待。