[導讀]近期,英特爾(Intel)取得半導體設備業(yè)者艾斯摩爾(ASML)15%股權,意圖藉由艾斯摩爾在20nm極速紫外光技術的領先優(yōu)勢,擴大與競爭對手間在高階制程的技術差距.什么是極速紫外光?這得從傳統(tǒng)半導體的制造過程談起.共筆作者:隨
近期,英特爾(Intel)取得半導體設備業(yè)者艾斯摩爾(ASML)15%股權,意圖藉由艾斯摩爾在20nm極速紫外光技術的領先優(yōu)勢,擴大與競爭對手間在高階制程的技術差距.什么是極速紫外光?這得從傳統(tǒng)半導體的制造過程談起.
共筆作者:隨風;資料與圖片來源:Softpedia;eettaiwan;TSMC;
在半導體業(yè),通常以”線寬”代表晶體管的尺寸,線寬越細,元件越小,每個芯片能儲存的資料量就越大,運算速度及芯片效能當然也會有所提升.換而言之,我們常聽到的”45nm制程”,其實就是指線寬,因此,以45nm制程生產的芯片,效能通常會優(yōu)于以65nm制程生產.
傳統(tǒng)上,半導體制造是透過”微影”的方式,先在芯片上涂一層光阻劑,再利用光線的投射,將光罩的圖案轉印到芯片上,接著以強酸蝕刻的方式清除曝光的部份,最后再清洗芯片上殘留的化學藥劑.可想而知,在微影的過程中,必要條件就是轉印要非常清晰,否則很難蝕刻出工程師們想要的電路.
艾斯摩爾以”深紫外光”(DUV)開發(fā)出光源波長193nm的設備,在65nm制程遇到了瓶頸,也就是該設備無法轉印出那么細的線寬.所幸,臺積電林本堅先生以”水”作為介質,利用水的折射率小于空氣的特性,讓光線能聚焦在更細小的區(qū)域,以縮小線寬.這項創(chuàng)新,讓臺積電得以領先開發(fā)出45nm技術,拉開與競爭對手的差距,稱為”浸潤式微影技術”.
然而,"浸潤式微影技術”也有極限,預估在22nm就會遇到瓶頸,未來開發(fā)16nm制程時,勢必要改變光源波長,開發(fā)出新的設備.
目前,新世代的光源有兩大候選:電子束(e-beam),超紫外光(EUV),但兩者都有難以解決的問題,目前還很難看出最后會由誰勝出.
超紫外光的波長只有13.5nm,既然要縮小線寬,光源波長當然是越小越好,可惜超紫外光有個很嚴重的缺陷,就是任何材質的東西都很容易吸收這種光線.而在傳統(tǒng)的曝光過程中,也就是透過光線投射轉印光罩圖案的過程,光源必須多次穿過透鏡,才能聚焦在芯片上.在這個過程中,超紫外光的能量會被吸收殆盡,因此曝光過程要重新設計,將透鏡改為反射鏡,才能解決這個問題.
然而,反射式光罩的成本高昂,制作困難,且在反射的過程中,光線能量會受到折損,多次反射下來可能只剩下不到10%的能量,所以光線的能量要很高.
至于電子束,是將電子射向光阻來進行曝光,但高能量的電子束射向光阻后,常會使附近不該曝光的部份也曝光了,造成線路不夠清晰,線路之間分際不明確,甚至是整條線消失的情形.如果調弱電子束的能量,則可能無法穿透光阻而四處散射,造成線路粗細不一.
讓我們回到英特爾入股艾斯摩爾的議題.這件事反映英特爾開始布局超紫外光技術,未來很可能會參與新型設備的開發(fā),同樣在半導體制程領先,并且也收到艾斯摩爾邀約的臺積電,三星,當然要謹慎考慮是否入股,否則讓英特爾在超紫外光技術取得優(yōu)勢,就會對自身競爭力造成負面影響.
為此,臺積電擬定了三套劇本:第一套劇本,當然就是入股艾斯摩爾,跟英特爾共同參與超紫外光技術的開發(fā).第二套劇本,是不入股艾斯摩爾,然后與其它設備廠共同開發(fā)超紫外光技術.第三套劇本,是不入股艾斯摩爾,也不找其它設備廠共同開發(fā)超紫外光技術,然后自行研究突破微縮瓶頸的其它方案.
不過,艾斯摩爾向英特爾,臺積電,三星求援,可不只是因為無法獨力開發(fā)超紫外光技術,造價昂貴的十八寸晶圓設備,也是該公司向外尋求金援的重要原因.
十八寸晶圓有極高的生產效益,以個人計算機芯片為例,十八寸晶圓所能切割出的晶粒數,是十二寸晶圓的2.25倍.不過,過去人們也預估十二寸晶圓所能切割出的晶粒數,是八寸晶圓的2.25倍,但實際上,十二寸晶圓廠的產能往往是八寸晶圓廠的4~5倍,這個情形也很可能會發(fā)生在十八寸晶圓廠.
雖然生產效益極高,但十八寸晶圓廠的造價也非常昂貴,業(yè)界估計造價在2,500億元以上,遠高于十二寸晶圓廠的800~1,000億元.此外,有能力投入十八寸矽晶圓生產的廠商,可能只有在十二寸矽晶圓具有領先地位的日商信越(Shin-EtsuHandotai),日商小松(SUMCO),德商世創(chuàng)電材(Siltronic),因此十八寸矽晶圓的售價可能也會遠高于十二寸矽晶圓.
十八寸晶圓廠的發(fā)展還面臨許多難題,從艾斯摩爾向英特爾,臺積電,三星尋求金援,我們就能看出大部分的設備業(yè)者都沒有能力獨力開發(fā)十八寸晶圓設備,光罩業(yè)者也表示,恐怕很難制作出比現有十二寸更大的光罩.此外,制程開發(fā),良率提升,矽晶圓搬運,也都是難以克服的問題,因此業(yè)界估計十八寸晶圓廠要等到2017年才能順利運行.
臺灣擁有全球最密集的十二寸晶圓廠,但只有臺積電有意愿投入十八寸晶圓的開發(fā),聯電在這方面則是相對保守.目前,臺積電規(guī)劃第一條試產線將架設在竹科12廠第六期,2015年在中科15廠第五期量產,可想而知,未來幾年臺積電將投入巨額資本支出,建造十八寸晶圓產線.
至于臺積電是否會入股艾斯摩爾?未來20nm以下的微縮制程將由誰勝出?十八寸晶圓廠是否能順利運行?就讓我們拭目以待.
共筆作者:隨風;資料與圖片來源:Softpedia;eettaiwan;TSMC;
在半導體業(yè),通常以”線寬”代表晶體管的尺寸,線寬越細,元件越小,每個芯片能儲存的資料量就越大,運算速度及芯片效能當然也會有所提升.換而言之,我們常聽到的”45nm制程”,其實就是指線寬,因此,以45nm制程生產的芯片,效能通常會優(yōu)于以65nm制程生產.
傳統(tǒng)上,半導體制造是透過”微影”的方式,先在芯片上涂一層光阻劑,再利用光線的投射,將光罩的圖案轉印到芯片上,接著以強酸蝕刻的方式清除曝光的部份,最后再清洗芯片上殘留的化學藥劑.可想而知,在微影的過程中,必要條件就是轉印要非常清晰,否則很難蝕刻出工程師們想要的電路.
艾斯摩爾以”深紫外光”(DUV)開發(fā)出光源波長193nm的設備,在65nm制程遇到了瓶頸,也就是該設備無法轉印出那么細的線寬.所幸,臺積電林本堅先生以”水”作為介質,利用水的折射率小于空氣的特性,讓光線能聚焦在更細小的區(qū)域,以縮小線寬.這項創(chuàng)新,讓臺積電得以領先開發(fā)出45nm技術,拉開與競爭對手的差距,稱為”浸潤式微影技術”.
然而,"浸潤式微影技術”也有極限,預估在22nm就會遇到瓶頸,未來開發(fā)16nm制程時,勢必要改變光源波長,開發(fā)出新的設備.
目前,新世代的光源有兩大候選:電子束(e-beam),超紫外光(EUV),但兩者都有難以解決的問題,目前還很難看出最后會由誰勝出.
超紫外光的波長只有13.5nm,既然要縮小線寬,光源波長當然是越小越好,可惜超紫外光有個很嚴重的缺陷,就是任何材質的東西都很容易吸收這種光線.而在傳統(tǒng)的曝光過程中,也就是透過光線投射轉印光罩圖案的過程,光源必須多次穿過透鏡,才能聚焦在芯片上.在這個過程中,超紫外光的能量會被吸收殆盡,因此曝光過程要重新設計,將透鏡改為反射鏡,才能解決這個問題.
然而,反射式光罩的成本高昂,制作困難,且在反射的過程中,光線能量會受到折損,多次反射下來可能只剩下不到10%的能量,所以光線的能量要很高.
至于電子束,是將電子射向光阻來進行曝光,但高能量的電子束射向光阻后,常會使附近不該曝光的部份也曝光了,造成線路不夠清晰,線路之間分際不明確,甚至是整條線消失的情形.如果調弱電子束的能量,則可能無法穿透光阻而四處散射,造成線路粗細不一.
讓我們回到英特爾入股艾斯摩爾的議題.這件事反映英特爾開始布局超紫外光技術,未來很可能會參與新型設備的開發(fā),同樣在半導體制程領先,并且也收到艾斯摩爾邀約的臺積電,三星,當然要謹慎考慮是否入股,否則讓英特爾在超紫外光技術取得優(yōu)勢,就會對自身競爭力造成負面影響.
為此,臺積電擬定了三套劇本:第一套劇本,當然就是入股艾斯摩爾,跟英特爾共同參與超紫外光技術的開發(fā).第二套劇本,是不入股艾斯摩爾,然后與其它設備廠共同開發(fā)超紫外光技術.第三套劇本,是不入股艾斯摩爾,也不找其它設備廠共同開發(fā)超紫外光技術,然后自行研究突破微縮瓶頸的其它方案.
不過,艾斯摩爾向英特爾,臺積電,三星求援,可不只是因為無法獨力開發(fā)超紫外光技術,造價昂貴的十八寸晶圓設備,也是該公司向外尋求金援的重要原因.
十八寸晶圓有極高的生產效益,以個人計算機芯片為例,十八寸晶圓所能切割出的晶粒數,是十二寸晶圓的2.25倍.不過,過去人們也預估十二寸晶圓所能切割出的晶粒數,是八寸晶圓的2.25倍,但實際上,十二寸晶圓廠的產能往往是八寸晶圓廠的4~5倍,這個情形也很可能會發(fā)生在十八寸晶圓廠.
雖然生產效益極高,但十八寸晶圓廠的造價也非常昂貴,業(yè)界估計造價在2,500億元以上,遠高于十二寸晶圓廠的800~1,000億元.此外,有能力投入十八寸矽晶圓生產的廠商,可能只有在十二寸矽晶圓具有領先地位的日商信越(Shin-EtsuHandotai),日商小松(SUMCO),德商世創(chuàng)電材(Siltronic),因此十八寸矽晶圓的售價可能也會遠高于十二寸矽晶圓.
十八寸晶圓廠的發(fā)展還面臨許多難題,從艾斯摩爾向英特爾,臺積電,三星尋求金援,我們就能看出大部分的設備業(yè)者都沒有能力獨力開發(fā)十八寸晶圓設備,光罩業(yè)者也表示,恐怕很難制作出比現有十二寸更大的光罩.此外,制程開發(fā),良率提升,矽晶圓搬運,也都是難以克服的問題,因此業(yè)界估計十八寸晶圓廠要等到2017年才能順利運行.
臺灣擁有全球最密集的十二寸晶圓廠,但只有臺積電有意愿投入十八寸晶圓的開發(fā),聯電在這方面則是相對保守.目前,臺積電規(guī)劃第一條試產線將架設在竹科12廠第六期,2015年在中科15廠第五期量產,可想而知,未來幾年臺積電將投入巨額資本支出,建造十八寸晶圓產線.
至于臺積電是否會入股艾斯摩爾?未來20nm以下的微縮制程將由誰勝出?十八寸晶圓廠是否能順利運行?就讓我們拭目以待.
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