2016年EUV降臨 半導(dǎo)體格局生變

　　在9月份召開的“SEMICONTaiwan2014”展覽會上，ASML公司的臺灣地區(qū)銷售經(jīng)理鄭國偉透露，第3代極紫外光(EUV)設(shè)備已出貨6臺。鄭國偉同時指出，ASML的EUV設(shè)備近期取得驚人突破，已有2家客戶在以它進行晶圓處理時，測試結(jié)果達到每天可曝光超過600片晶圓。

　　業(yè)界消息也印證了鄭國偉的講話：ASML與半導(dǎo)體制造廠共同研發(fā)，繼7月底英特爾成功利用EUV微影技術(shù)，在24小時內(nèi)完成曝光逾600片晶圓之后，臺積電也成功在一天內(nèi)完成600片晶圓曝光。這個消息在印證鄭國偉的講話的同時，也預(yù)示了全球兩家頂級大廠未來采用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，或者說臺積電在10nm時順利趕上業(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(dǎo)致EUV設(shè)備一再被推遲，讓業(yè)界幾乎喪失信心。

　　眾所周知，一直以來半導(dǎo)體業(yè)界奉行的寶典是每兩年跨上一個工藝臺階，即所謂的0.7×制程理論。打個比方，如果說2011年半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界會義無反顧地去遵循這一規(guī)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(dāng)于每個晶體管成本下降50%。

　　但是，半導(dǎo)體業(yè)的前進之路到了28nm之后，就發(fā)生了變化。當(dāng)工藝制程進入22nm/20nm時，成本相比28nm不僅沒有下降，反而升高。原因是當(dāng)工藝尺寸縮小到22nm/20nm時，傳統(tǒng)的193nm光刻，包括使用浸液式、OPC等技術(shù)已經(jīng)無能為力，必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)(Doublepatterning，縮寫為DP)。從原理上講，DP技術(shù)易于理解，甚至可以曝光3次、4次。但是這必將帶來兩大問題：一個是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個是工藝的循環(huán)周期延長。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(dǎo)體業(yè)界在向14nm制程邁進時，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(jié)構(gòu)(注：英特爾在22nm制程時首先采用FinFET工藝)。

　　至于未來向10nm挺進時，業(yè)界一直有爭論，一種方案是采用FinFET結(jié)構(gòu)，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(shè)備的降臨。盡管EUV光刻工藝，從理論上由于曝光波長才13.4nm，在10nm時可以不必采用DP，從而節(jié)省成本(注：到了7nm時，即使是EUV也需要采用DP技術(shù))。但是采用EUV相應(yīng)也會帶來產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)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(dǎo)致EUV設(shè)備一再被推遲，讓業(yè)界幾乎喪失信心，都認(rèn)為在10nm時插入EUV光刻工藝毫無希望，可能要等到7nm。

　　所以業(yè)界把進入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，然而從經(jīng)濟角度上講不一定誰都能夠接受。

　　EUV光刻技術(shù)突破意義重大

　　EUV光刻的導(dǎo)入，將使半導(dǎo)體業(yè)界對于10nm工藝制程不再猶豫。

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

　　首先，表明摩爾定律將能持續(xù)向10nm及以下制程順利推進。EUV光刻的導(dǎo)入，將使半導(dǎo)體業(yè)界對于10nm工藝制程不再猶豫，肯定會采用EUV與193nm浸液式光刻的混合模式，即尺寸更細(xì)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(xù)向10nm及以下制程推進，由此半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可能進入一輪新的增長周期。

　　其次，18英寸硅片進程加速。理論上，硅片直徑增大是產(chǎn)業(yè)增長的另一項重要推動力。觀察半導(dǎo)體業(yè)硅片尺寸發(fā)展進程，SEMI于2006年公布的一項數(shù)據(jù)顯示，1986年進入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英寸硅片過渡已經(jīng)持繼一段時間了，但是由于半導(dǎo)體設(shè)備廠擔(dān)心研發(fā)投資過大，而客戶數(shù)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)展進程中一直伴有爭論，焦點集中在投資回報與什么時間開始過渡上。EUV光刻設(shè)備的成功將使工藝制程可能繼續(xù)還有三個臺階可走，即10nm、7nm及5nm。由此也可使得半導(dǎo)體設(shè)備廠減少疑慮，芯片制造廠增加信心，從而加速產(chǎn)業(yè)界向18英寸硅片過渡的進程。

　　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(xiàn)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(shè)計三者之間的比例分配變化?，F(xiàn)在的趨勢是三星與英特爾己經(jīng)跨入代工，未來的增長依賴于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品等市場的興起，工藝結(jié)構(gòu)方面依賴于2.5D、3D等封裝與新的材料，如ⅢⅤ族、鍺、碳納米管、碳納米線等的應(yīng)用。

　　不管如何，全球半導(dǎo)體由少數(shù)幾家大廠壟斷的態(tài)勢不會再改變。

　　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題也不少，所以業(yè)界正拭目以待。

　　2016年EUV光刻真的被半導(dǎo)體業(yè)采用是一個大的突破，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(xù)挺進，表示未來半導(dǎo)體工藝路線圖的進一步落實，并可預(yù)期產(chǎn)業(yè)會進入新一輪的增長期。對于半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)更是一個利好的消息。

　　由于工藝路線圖的進一步明確，產(chǎn)業(yè)界將會加快向18英寸硅片過渡的步伐。另外，未來產(chǎn)業(yè)的壟斷現(xiàn)象加劇，導(dǎo)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，同時產(chǎn)業(yè)在新的應(yīng)用推動下，未來的兼并重組會更加劇烈。

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

　　根據(jù)鄭國偉的介紹，ASML的EUV機臺預(yù)計2016年年底將達到每天曝光1500片晶圓的處理能力，協(xié)助客戶采用EUV設(shè)備來量產(chǎn)10nm的工藝制程。它的第3代EUV機臺NXE：3300B已出貨6臺，并預(yù)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(yù)計明年可出貨。EUV設(shè)備的售價昂貴，每臺售價高達9000萬歐元(約合人民幣8億元)，并且體積龐大，每臺運輸需動用747飛機，11架次。