2016年EUV降臨 半導體格局生變

　　在9月份召開(kāi)的“SEMICONTaiwan2014”展覽會(huì )上，ASML公司的臺灣地區銷(xiāo)售經(jīng)理鄭國偉透露，第3代極紫外光(EUV)設備已出貨6臺。鄭國偉同時(shí)指出，ASML的EUV設備近期取得驚人突破，已有2家客戶(hù)在以它進(jìn)行晶圓處理時(shí)，測試結果達到每天可曝光超過(guò)600片晶圓。

　　業(yè)界消息也印證了鄭國偉的講話(huà)：ASML與半導體制造廠(chǎng)共同研發(fā)，繼7月底英特爾成功利用EUV微影技術(shù)，在24小時(shí)內完成曝光逾600片晶圓之后，臺積電也成功在一天內完成600片晶圓曝光。這個(gè)消息在印證鄭國偉的講話(huà)的同時(shí)，也預示了全球兩家頂級大廠(chǎng)未來(lái)采用EUV光刻技術(shù)，在10nm的量產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)選項中幾乎同步，或者說(shuō)臺積電在10nm時(shí)順利趕上業(yè)界龍頭英特爾。

　　10nm制程的“十字路口”

　　困局是由于光源的功率不足等原因，導致EUV設備一再被推遲，讓業(yè)界幾乎喪失信心。

　　眾所周知，一直以來(lái)半導體業(yè)界奉行的寶典是每?jì)赡昕缟弦粋€(gè)工藝臺階，即所謂的0.7×制程理論。打個(gè)比方，如果說(shuō)2011年半導體業(yè)界跨上了22nm工藝臺階，那么2013年就是22×0.7=14nm。為什么半導體產(chǎn)業(yè)界會(huì )義無(wú)反顧地去遵循這一規律呢?道理十分清楚，尺寸縮小，在同樣的芯片面積上晶體管的密度增加一倍，就相當于每個(gè)晶體管成本下降50%。

　　但是，半導體業(yè)的前進(jìn)之路到了28nm之后，就發(fā)生了變化。當工藝制程進(jìn)入22nm/20nm時(shí)，成本相比28nm不僅沒(méi)有下降，反而升高。原因是當工藝尺寸縮小到22nm/20nm時(shí)，傳統的193nm光刻，包括使用浸液式、OPC等技術(shù)已經(jīng)無(wú)能為力，必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)(Doublepatterning，縮寫(xiě)為DP)。從原理上講，DP技術(shù)易于理解，甚至可以曝光3次、4次。但是這必將帶來(lái)兩大問(wèn)題：一個(gè)是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個(gè)是工藝的循環(huán)周期延長(cháng)。所以業(yè)界心知肚明，在下一代光刻技術(shù)EUV尚未成熟之前，采用DP技術(shù)是不得已而為之的。

　　所以全球半導體業(yè)界在向14nm制程邁進(jìn)時(shí)，一方面采用DP技術(shù)，另一方面為了減少漏電流與功耗，采用新的FinFET結構(注：英特爾在22nm制程時(shí)首先采用FinFET工藝)。

　　至于未來(lái)向10nm挺進(jìn)時(shí)，業(yè)界一直有爭論，一種方案是采用FinFET結構，但是工藝制程上采用DP技術(shù)已經(jīng)不行了，可能必須采用3次或者4次圖形曝光技術(shù)，另一種方案是等待EUV設備的降臨。盡管EUV光刻工藝，從理論上由于曝光波長(cháng)才13.4nm，在10nm時(shí)可以不必采用DP，從而節省成本(注：到了7nm時(shí)，即使是EUV也需要采用DP技術(shù))。但是采用EUV相應也會(huì )帶來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈的轉變，同樣非同小可。

　　之前的困局是由于光源的功率不足等原因，導致EUV設備一再被推遲，讓業(yè)界幾乎喪失信心，都認為在10nm時(shí)插入EUV光刻工藝毫無(wú)希望，可能要等到7nm。

　　所以業(yè)界把進(jìn)入10nm工藝制程看做是“站在十字路口”，盡管從技術(shù)層面上采用多次DP也能通過(guò)，然而從經(jīng)濟角度上講不一定誰(shuí)都能夠接受。

　　EUV光刻技術(shù)突破意義重大

　　EUV光刻的導入，將使半導體業(yè)界對于10nm工藝制程不再猶豫。

　　如今，EUV光刻設備取得驚人突破，如果2016年EUV真的能夠進(jìn)入量產(chǎn)，那將對全球半導體業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

　　首先，表明摩爾定律將能持續向10nm及以下制程順利推進(jìn)。EUV光刻的導入，將使半導體業(yè)界對于10nm工藝制程不再猶豫，肯定會(huì )采用EUV與193nm浸液式光刻的混合模式，即尺寸更細的采用EUV光刻，有的仍可以采用193nm。另一方面可能讓摩爾定律持續向10nm及以下制程推進(jìn)，由此半導體產(chǎn)業(yè)可能進(jìn)入一輪新的增長(cháng)周期。

　　其次，18英寸硅片進(jìn)程加速。理論上，硅片直徑增大是產(chǎn)業(yè)增長(cháng)的另一項重要推動(dòng)力。觀(guān)察半導體業(yè)硅片尺寸發(fā)展進(jìn)程，SEMI于2006年公布的一項數據顯示，1986年進(jìn)入4英寸，1992年6英寸，1997年8英寸，2005年為12英寸。目前，產(chǎn)業(yè)界討論向18英寸硅片過(guò)渡已經(jīng)持繼一段時(shí)間了，但是由于半導體設備廠(chǎng)擔心研發(fā)投資過(guò)大，而客戶(hù)數量稀少等因素，積極性一直不高，再加上摩爾定律接近極限等原因，在18英寸硅片的發(fā)展進(jìn)程中一直伴有爭論，焦點(diǎn)集中在投資回報與什么時(shí)間開(kāi)始過(guò)渡上。EUV光刻設備的成功將使工藝制程可能繼續還有三個(gè)臺階可走，即10nm、7nm及5nm。由此也可使得半導體設備廠(chǎng)減少疑慮，芯片制造廠(chǎng)增加信心，從而加速產(chǎn)業(yè)界向18英寸硅片過(guò)渡的進(jìn)程。

　　最后，英特爾、三星與臺積電加高通的三足鼎立態(tài)勢確立。英特爾、三星及臺積電加高通的三足鼎立態(tài)勢現在已經(jīng)基本確立，業(yè)界關(guān)切的是處理器、存儲器及代工加設計三者之間的比例分配變化?，F在的趨勢是三星與英特爾己經(jīng)跨入代工，未來(lái)的增長(cháng)依賴(lài)于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品等市場(chǎng)的興起，工藝結構方面依賴(lài)于2.5D、3D等封裝與新的材料，如ⅢⅤ族、鍺、碳納米管、碳納米線(xiàn)等的應用。

　　不管如何，全球半導體由少數幾家大廠(chǎng)壟斷的態(tài)勢不會(huì )再改變。

　　業(yè)界正拭目以待

　　與EUV光刻相關(guān)的掩模及光刻膠等配套材料的問(wèn)題也不少，所以業(yè)界正拭目以待。

　　2016年EUV光刻真的被半導體業(yè)采用是一個(gè)大的突破，它對于產(chǎn)業(yè)的影響非同小可。首先是工藝尺寸縮小的步伐繼續挺進(jìn)，表示未來(lái)半導體工藝路線(xiàn)圖的進(jìn)一步落實(shí)，并可預期產(chǎn)業(yè)會(huì )進(jìn)入新一輪的增長(cháng)期。對于半導體設備業(yè)更是一個(gè)利好的消息。

　　由于工藝路線(xiàn)圖的進(jìn)一步明確，產(chǎn)業(yè)界將會(huì )加快向18英寸硅片過(guò)渡的步伐。另外，未來(lái)產(chǎn)業(yè)的壟斷現象加劇，導致英特爾，三星及臺積電加高通的三足鼎立的地位更加明顯，同時(shí)產(chǎn)業(yè)在新的應用推動(dòng)下，未來(lái)的兼并重組會(huì )更加劇烈。

　　然而，2016年EUV光刻是否真的能降臨?目前僅是ASML廠(chǎng)家的承諾。這樣的事情之前也曾發(fā)生過(guò)多次了。另外與EUV光刻相關(guān)的掩模及光刻膠等配套材料的問(wèn)題也不少，所以業(yè)界正拭目以待。

　　根據鄭國偉的介紹，ASML的EUV機臺預計2016年年底將達到每天曝光1500片晶圓的處理能力，協(xié)助客戶(hù)采用EUV設備來(lái)量產(chǎn)10nm的工藝制程。它的第3代EUV機臺NXE：3300B已出貨6臺，并預計今年下半年至明年初將再出貨5臺，第4代的EUV機臺NXE：3350目前正在組裝中，預計明年可出貨。EUV設備的售價(jià)昂貴，每臺售價(jià)高達9000萬(wàn)歐元(約合人民幣8億元)，并且體積龐大，每臺運輸需動(dòng)用747飛機，11架次。