2016年EUV降臨半導體格局生變

2020-09-16

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在9月份召開的「SEMICONTaiwan2014」展覽會上，ASML公司的台灣銷售經理鄭國偉透露，第3代極紫外光(EUV)設備已出貨6台。

鄭國偉同時指出，ASML的EUV設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，測試結果達到每天可曝光超過600片晶圓。

業界消息也印證了鄭國偉的講話：ASML與半導體製造廠共同研發，繼7月底英特爾成功利用EUV微影技術，在24小時內完成曝光逾600片晶圓之後，台積電也成功在一天內完成600片晶圓曝光。

這個消息在印證鄭國偉的講話的同時，也預示了全球兩家頂級大廠未來採用EUV光刻技術，在10nm的量產關鍵技術選項中幾乎同步，或者說台積電在10nm時順利趕上業界龍頭英特爾。

10nm製程的「十字路口」

眾所周知，一直以來半導體業界奉行的寶典是每兩年跨上一個工藝台階，即所謂的0.7×製程理論。

打個比方，如果說2011年半導體業界跨上了22nm工藝台階，那麼2013年就是22×0.7=14nm。

為什么半導體產業界會義無反顧地去遵循這一規律呢?道理十分清楚，尺寸縮小，在同樣的晶片面積上電晶體的密度增加一倍，就相當於每個電晶體成本下降50%。

但是，半導體業的前進之路到了28nm之後，就發生了變化。

當工藝製程進入22nm/20nm時，成本相比28nm不僅沒有下降，反而升高。

原因是當工藝尺寸縮小到22nm/20nm時，傳統的193nm光刻，包括使用浸液式、OPC等技術已經無能為力，必須採用輔助的兩次圖形曝光技術(Doublepatterning，縮寫為DP)。

從原理上講，DP技術易於理解，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周期延長。

所以業界心知肚明，在下一代光刻技術EUV尚未成熟之前，採用DP技術是不得已而為之的。

所以全球半導體業界在向14nm製程邁進時，一方面採用DP技術，另一方面為了減少漏電流與功耗，採用新的FinFET結構(註：英特爾在22nm製程時首先採用FinFET工藝)。

至於未來向10nm挺進時，業界一直有爭論，一種方案是採用FinFET結構，但是工藝製程上採用DP技術已經不行了，可能必須採用3次或者4次圖形曝光技術，另一種方案是等待EUV設備的降臨。

儘管EUV光刻工藝，從理論上由於曝光波長才13.4nm，在10nm時可以不必採用DP，從而節省成本(註：到了7nm時，即使是EUV也需要採用DP技術)。

但是採用EUV相應也會帶來產業鏈的轉變，同樣非同小可。

之前的困局是由於光源的功率不足等原因，導致EUV設備一再被推遲，讓業界幾乎喪失信心，都認為在10nm時插入EUV光刻工藝毫無希望，可能要等到7nm。

所以業界把進入10nm工藝製程看做是「站在十字路口」，儘管從技術層面上採用多次DP也能通過，然而從經濟角度上講不一定誰都能夠接受。

EUV光刻技術突破意義重大

EUV光刻的導入，將使半導體業界對於10nm工藝製程不再猶豫。

如今，EUV光刻設備取得驚人突破，如果2016年EUV真的能夠進入量產，那將對全球半導體業產生巨大影響。

首先，表明摩爾定律將能持續向10nm及以下製程順利推進。

EUV光刻的導入，將使半導體業界對於10nm工藝製程不再猶豫，肯定會採用EUV與193nm浸液式光刻的混合模式，即尺寸更細的採用EUV光刻，有的仍可以採用193nm。

另一方面可能讓摩爾定律持續向10nm及以下製程推進，由此半導體產業可能進入一輪新的增長周期。

其次，18英寸矽片進程加速。

理論上，矽片直徑增大是產業增長的另一項重要推動力。

觀察半導體業矽片尺寸發展進程，SEMI於2006年公布的一項數據顯示，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，產業界討論向18英寸矽片過渡已經持繼一段時間了，但是由於半導體設備廠擔心研發投資過大，而客戶數量稀少等因素，積極性一直不高，再加上摩爾定律接近極限等原因，在18英寸矽片的發展進程中一直伴有爭論，焦點集中在投資回報與什麼時間開始過渡上。

EUV光刻設備的成功將使工藝製程可能繼續還有三個台階可走，即10nm、7nm及5nm。

由此也可使得半導體設備廠減少疑慮，晶片製造廠增加信心，從而加速產業界向18英寸矽片過渡的進程。

最後，英特爾、三星與台積電加高通的三足鼎立態勢確立。

英特爾、三星及台積電加高通的三足鼎立態勢現在已經基本確立，業界關切的是處理器、存儲器及代工加設計三者之間的比例分配變化。

現在的趨勢是三星與英特爾己經跨入代工，未來的增長依賴於物聯網、可穿戴產品等市場的興起，工藝結構方面依賴於2.5D、3D等封裝與新的材料，如ⅢⅤ族、鍺、碳納米管、碳納米線等的應用。

不管如何，全球半導體由少數幾家大廠壟斷的態勢不會再改變。

業界正拭目以待

與EUV光刻相關的掩模及光刻膠等配套材料的問題也不少，所以業界正拭目以待。

2016年EUV光刻真的被半導體業採用是一個大的突破，它對於產業的影響非同小可。

首先是工藝尺寸縮小的步伐繼續挺進，表示未來半導體工藝路線圖的進一步落實，並可預期產業會進入新一輪的增長期。

對於半導體設備業更是一個利好的消息。

由於工藝路線圖的進一步明確，產業界將會加快向18英寸矽片過渡的步伐。

另外，未來產業的壟斷現象加劇，導致英特爾，三星及台積電加高通的三足鼎立的地位更加明顯，同時產業在新的應用推動下，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生過多次了。

另外與EUV光刻相關的掩模及光刻膠等配套材料的問題也不少，所以業界正拭目以待。

根據鄭國偉的介紹，ASML的EUV機台預計2016年年底將達到每天曝光1500片晶圓的處理能力，協助客戶採用EUV設備來量產10nm的工藝製程。

它的第3代EUV機台NXE：3300B已出貨6台，並預計今年下半年至明年初將再出貨5台，第4代的EUV機台NXE：3350目前正在組裝中，預計明年可出貨。

EUV設備的售價昂貴，每台售價高達9000萬歐元(約合人民幣8億元)，並且體積龐大，每台運輸需動用747飛機，11架次。