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半导体

2016年EUV降临 半导体格局生变

在9月份召开的“SEMICON Taiwan 2014”展览会上,ASML公司的台湾地区销售经理郑国伟透露,第3代极紫外光(EUV)设备已出货6台。郑国伟同时指出,ASML的EUV设备近期取得惊人突破,已有2家客户在以它进行晶圆处理时,测试结果达到每天可曝光超过600片晶圆。

业界消息也印证了郑国伟的讲话:ASML与半导体制造厂共同研发,继7月底英特尔成功利用EUV微影技术,在24小时内完成曝光逾600片晶圆之后,台积电也成功在一天内完成600片晶圆曝光。这个消息在印证郑国伟的讲话的同时,也预示了全球两家顶级大厂未来采用EUV光刻技术,在10nm的量产关键技术选项中几乎同步,或者说台积电在10nm时顺利赶上业界龙头英特尔。

10nm制程的“十字路口”

困局是由于光源的功率不足等原因,导致EUV设备一再被推迟,让业界几乎丧失信心。

众所周知,一直以来半导体业界奉行的宝典是每两年跨上一个工艺台阶,即所谓的0.7×制程理论。打个比方,如果说2011年半导体业界跨上了22nm工艺台阶,那么2013年就是22×0.7=14nm。为什么半导体产业界会义无反顾地去遵循这一规律呢?道理十分清楚,尺寸缩小,在同样的芯片面积上晶体管的密度增加一倍,就相当于每个晶体管成本下降50%%。

但是,半导体业的前进之路到了28nm之后,就发生了变化。当工艺制程进入22nm/20nm时,成本相比28nm不仅没有下降,反而升高。原因是当工艺尺寸缩小到22nm/20nm时,传统的193nm光刻,包括使用浸液式、OPC等技术已经无能为力,必须采用辅助的两次图形曝光技术(Double patterning,缩写为DP)。从原理上讲,DP技术易于理解,甚至可以曝光3次、4次。但是这必将带来两大问题:一个是光刻加掩模的成本迅速上升,另一个是工艺的循环周期延长。所以业界心知肚明,在下一代光刻技术EUV尚未成熟之前,采用DP技术是不得已而为之的。

所以全球半导体业界在向14nm制程迈进时,一方面采用DP技术,另一方面为了减少漏电流与功耗,采用新的FinFET结构(注:英特尔在22nm制程时首先采用FinFET工艺)。

至于未来向10nm挺进时,业界一直有争论,一种方案是采用FinFET结构,但是工艺制程上采用DP技术已经不行了,可能必须采用3次或者4次图形曝光技术,另一种方案是等待EUV设备的降临。尽管EUV光刻工艺,从理论上由于曝光波长才13.4nm,在10nm时可以不必采用DP,从而节省成本(注:到了7nm时,即使是EUV也需要采用DP技术)。但是采用EUV相应也会带来产业链的转变,同样非同小可。

之前的困局是由于光源的功率不足等原因,导致EUV设备一再被推迟,让业界几乎丧失信心,都认为在10nm时插入EUV光刻工艺毫无希望,可能要等到7nm。

所以业界把进入10nm工艺制程看做是“站在十字路口”,尽管从技术层面上采用多次DP也能通过,然而从经济角度上讲不一定谁都能够接受。

EUV光刻技术突破意义重大

EUV光刻的导入,将使半导体业界对于10nm工艺制程不再犹豫。

如今,EUV光刻设备取得惊人突破,如果2016年EUV真的能够进入量产,那将对全球半导体业产生巨大影响。

首先,表明摩尔定律将能持续向10nm及以下制程顺利推进。EUV光刻的导入,将使半导体业界对于10nm工艺制程不再犹豫,肯定会采用EUV与193nm浸液式光刻的混合模式,即尺寸更细的采用EUV光刻,有的仍可以采用193nm。另一方面可能让摩尔定律持续向10nm及以下制程推进,由此半导体产业可能进入一轮新的增长周期。

其次,18英寸硅片进程加速。理论上,硅片直径增大是产业增长的另一项重要推动力。观察半导体业硅片尺寸发展进程,SEMI于2006年公布的一项数据显示,1986年进入4英寸,1992年6英寸,1997年8英寸,2005年为12英寸。目前,产业界讨论向18英寸硅片过渡已经持继一段时间了,但是由于半导体设备厂担心研发投资过大,而客户数量稀少等因素,积极性一直不高,再加上摩尔定律接近极限等原因,在18英寸硅片的发展进程中一直伴有争论,焦点集中在投资回报与什么时间开始过渡上。EUV光刻设备的成功将使工艺制程可能继续还有三个台阶可走,即10nm、7nm及5nm。由此也可使得半导体设备厂减少疑虑,芯片制造厂增加信心,从而加速产业界向18英寸硅片过渡的进程。

最后,英特尔、三星与台积电加高通的三足鼎立态势确立。英特尔、三星及台积电加高通的三足鼎立态势现在已经基本确立,业界关切的是处理器、存储器及代工加设计三者之间的比例分配变化。现在的趋势是三星与英特尔己经跨入代工,未来的增长依赖于物联网、可穿戴产品等市场的兴起,工艺结构方面依赖于2.5D、3D等封装与新的材料,如ⅢⅤ族、锗、碳纳米管、碳纳米线等的应用。

不管如何,全球半导体由少数几家大厂垄断的态势不会再改变。

业界正拭目以待

与EUV光刻相关的掩模及光刻胶等配套材料的问题也不少,所以业界正拭目以待。

2016年EUV光刻真的被半导体业采用是一个大的突破,它对于产业的影响非同小可。首先是工艺尺寸缩小的步伐继续挺进,表示未来半导体工艺路线图的进一步落实,并可预期产业会进入新一轮的增长期。对于半导体设备业更是一个利好的消息。

由于工艺路线图的进一步明确,产业界将会加快向18英寸硅片过渡的步伐。另外,未来产业的垄断现象加剧,导致英特尔,三星及台积电加高通的三足鼎立的地位更加明显,同时产业在新的应用推动下,未来的兼并重组会更加剧烈。

然而,2016年EUV光刻是否真的能降临?目前仅是ASML厂家的承诺。这样的事情之前也曾发生过多次了。另外与EUV光刻相关的掩模及光刻胶等配套材料的问题也不少,所以业界正拭目以待。

根据郑国伟的介绍,ASML的EUV机台预计2016年年底将达到每天曝光1500片晶圆的处理能力,协助客户采用EUV设备来量产10nm的工艺制程。它的第3代EUV机台NXE:3300B已出货6台,并预计今年下半年至明年初将再出货5台,第4代的EUV机台NXE:3350目前正在组装中,预计明年可出货。EUV设备的售价昂贵,每台售价高达9000万欧元(约合人民币8亿元),并且体积庞大,每台运输需动用747飞机,11架次。



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