延續(xù)摩爾定律 EUV技術(shù)角色關(guān)鍵

　　臺(tái)積電已宣布將在2018年第二代7奈米制程中開始導(dǎo)入EUV微影技術(shù)，以做為5奈米全面采用EUV的先期準(zhǔn)備。 盡管目前EUV設(shè)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題仍是相對有力的解決方案。

　　每一季的臺(tái)積電法說會(huì)上，張忠謀董事長或是共同執(zhí)行長對于極紫外光(Extreme Ultraviolet, EUV)的發(fā)展進(jìn)度必會(huì)對臺(tái)下觀眾做一專門的報(bào)告，法人代表對于EUV的導(dǎo)入時(shí)程亦表示高度興趣。 到底EUV的發(fā)展對于臺(tái)積電未來發(fā)展甚至是半導(dǎo)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(yuǎn)的沖擊，不然怎會(huì)讓眾人引頸期盼EUV的導(dǎo)入;屆時(shí)真的可以如共同執(zhí)行長所說的在7奈米量產(chǎn)后第二年的加強(qiáng)版制程導(dǎo)入，并于5奈米制程時(shí)全面使用? 屆時(shí)導(dǎo)入時(shí)程還會(huì)被延誤嗎? 從制程成本的觀點(diǎn)來看，相信這將會(huì)是箭在弦上，不得不發(fā)的情況。

　　隨著制成節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)，線寬不斷地微縮，制造成本從過去的線性成長到現(xiàn)在的指數(shù)型成長;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(xù)，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(jié)點(diǎn)的趨勢如圖1所示;且消費(fèi)者是否可以接受IC制造成本的上升而導(dǎo)致最終產(chǎn)品價(jià)格的上揚(yáng)? 都值得令人探討。 消費(fèi)市場的不穩(wěn)定，導(dǎo)致各大IC制造廠商是否仍愿意繼續(xù)投入巨大的資源進(jìn)行先進(jìn)制程的開發(fā)與設(shè)備的投資，這種種的問題，不斷地困擾IC制造廠商的決策，并影響著未來發(fā)展的走向。

　　圖1 閘極成本與制程節(jié)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(dǎo)入，而是想要從制造成本的觀點(diǎn)來探討EUV的重要性，各大IC制造廠商為何抱著一定要成功的心態(tài)發(fā)展EUV;成功與否為何將會(huì)嚴(yán)重地影響到摩爾定律的持續(xù)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自于設(shè)備機(jī)臺(tái)的折舊。 近年臺(tái)積電的資本支出持續(xù)地維持在高檔，一年約一百億美元上下，機(jī)臺(tái)設(shè)備的高折舊費(fèi)用對于財(cái)報(bào)亦是一股沉重的壓力;假設(shè)今年于設(shè)備的資本支出為六百萬元，預(yù)計(jì)用五年作為折舊攤提的時(shí)間，故每一年的攤提費(fèi)用為一百二十萬元(600÷5)，每一個(gè)月份則為十萬元(120÷12)，每一分鐘的費(fèi)用則為二點(diǎn)三元(10÷30÷24÷60)。

　　由此可知，生產(chǎn)設(shè)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(jì)入到各晶圓生產(chǎn)成本之上。 根據(jù)這樣的會(huì)計(jì)原則，相信各位讀者已可以輕松了解到，生產(chǎn)設(shè)備越少(注：相對應(yīng)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(jī)，其實(shí)以其現(xiàn)有光源的波長，已無法滿足現(xiàn)有的制程需求，而必須使用雙重甚至是多重曝光的方式來達(dá)到線寬微縮的目的，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(fù)雜)。

　　從流程圖上看來，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(dá)到廠商默認(rèn)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(shè)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自于機(jī)臺(tái)設(shè)備折舊，但如果為了多重曝光添購了許多設(shè)備，不只在設(shè)備折舊方面的成本增加，多重曝光越來越復(fù)雜的圖形造成曝光次數(shù)大大增加，光罩的成本也會(huì)隨著倍增;其他在機(jī)臺(tái)維護(hù)、原物料等方面上的支出，也必將有非常顯著的增加。

　　全球最大曝光機(jī)設(shè)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(shè)備的所需數(shù)量與空間上，具有極大的優(yōu)勢，如圖4所示。 假設(shè)月產(chǎn)能十三萬片，并使用雙重曝光制程，所需的無塵室空間約為1,200平方米;但如果使用EUV來進(jìn)行圖案曝光，所需的無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片。 相信對于多重曝光來說，所需的無塵室空間與設(shè)備投資應(yīng)該是更驚人;市場上預(yù)估，四重曝光所需的設(shè)備支出將會(huì)較現(xiàn)行雙重曝光多出約60%，增加的制造成本反應(yīng)到終端產(chǎn)品的價(jià)格，消費(fèi)者是否可以接受，仍須觀察。

　　另一方面，EUV設(shè)備的價(jià)格亦極為驚人，約為一億美元，約當(dāng)其他微影設(shè)備金額的兩倍，并且每小時(shí)的單位產(chǎn)出仍無法與現(xiàn)行的浸潤式曝光機(jī)相比;但從省下的無塵室空間與額外設(shè)備投資的降低觀點(diǎn)而言，雖然實(shí)際數(shù)字需要細(xì)算，但相信對于IC制造廠商而言，與多重曝光相比，仍是一項(xiàng)值得投入資源開發(fā)的投資。 從以上成本的觀點(diǎn)看來，如果EUV未被導(dǎo)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(xù)。

　　EUV設(shè)備當(dāng)前挑戰(zhàn)

　　當(dāng)然，從以上所提，我們都知道EUV必須要被導(dǎo)入先進(jìn)制程，但其所面臨的挑戰(zhàn)到底為何? 目前，EUV主要面臨的挑戰(zhàn)仍是光源強(qiáng)度的不足，目標(biāo)是每一小時(shí)可完成約125片晶圓曝光的250W，達(dá)此目標(biāo)即有量產(chǎn)價(jià)值的經(jīng)濟(jì)效益;但目前的光源強(qiáng)度為125W，每一小時(shí)約僅可完成65片晶圓的曝光，與目標(biāo)仍有一段差距，可否于2018年達(dá)到如EUV設(shè)備廠商ASML所說的光源強(qiáng)度250W的目標(biāo)，值得令人期待。 至于到了2020年，臺(tái)積電量產(chǎn)5奈米制程產(chǎn)品時(shí)，或許更可接近現(xiàn)行浸潤式微影的每小時(shí)200片的水平。

　　當(dāng)眾人目光皆放在設(shè)備上的演進(jìn)與開發(fā)，其實(shí)在EUV的導(dǎo)入后，線寬的微縮，制程對于缺陷與外來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(zhàn)也將會(huì)伴隨而來;其主要分為兩個(gè)部分：

　　一是曝光顯影后的清洗制程。 當(dāng)晶圓完成曝光顯影后所伴隨著的副產(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(xiàn)，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?jiān)囅氘?dāng)光罩上存在著一顆微粒子，這是否會(huì)被轉(zhuǎn)移到晶圓上? 想當(dāng)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(zhàn)。

　　另外其他的挑戰(zhàn)將會(huì)是來自于制程整合，蝕刻制程是否可以消弭因EUV所造成線寬邊緣粗糙度(Line Edge Roughness, LER);化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical Mechanical Planarization, CMP)是否會(huì)因?yàn)榫€寬而造成凹陷(Dishing)等其他問題，將會(huì)如雨后春筍一般地冒出來。

　　EUV發(fā)展令人期待

　　制程的演進(jìn)，線寬的微縮，伴隨而來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(shè)備的開發(fā);這些投入的成本，最終將會(huì)轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上，消費(fèi)者是否接受將有可能會(huì)嚴(yán)重影響廠商的決定;每一次的投資或是發(fā)展決策，迎來的是繁榮或衰敗，將反映著決策的正確與否，故隨時(shí)必須保持著亦步亦趨，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，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(shè)備的開發(fā)與挑戰(zhàn)，制程整合亦是另一巨大的挑戰(zhàn);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(jī)械研磨等等，都必須要與EUV一同開發(fā)。

　　新科技總是讓人感到興奮，但其中仍有許多惱人的挑戰(zhàn)必須克服，我們樂見摩爾定律繼續(xù)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。