2016年EUV降臨 半導體格局生變

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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。

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