近期, 英特爾(Intel)取得半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者艾斯摩爾(ASML)15 %股權(quán), 意圖藉由艾斯摩爾在20nm極速紫外光技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢, 擴大與競爭對手間在高階制程的技術(shù)差距. 什么是極速紫外光? 這得從傳統(tǒng)半導(dǎo)體的制造過程談起.

共筆作者: 隨風(fēng); 資料與圖片來源: Softpedia; eettaiwan; TSMC;

在半導(dǎo)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(dāng)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(chǎn)的芯片, 效能通常會優(yōu)于以65nm制程生產(chǎn).


傳統(tǒng)上, 半導(dǎo)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(zhuǎn)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(xué)藥劑. 可想而知, 在微影的過程中, 必要條件就是轉(zhuǎn)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(shè)備, 在65nm制程遇到了瓶頸, 也就是該設(shè)備無法轉(zhuǎn)印出那么細的線寬. 所幸, 臺積電林本堅先生以”水”作為介質(zhì), 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(lǐng)先開發(fā)出45nm技術(shù), 拉開與競爭對手的差距, 稱為”浸潤式微影技術(shù)”.


然而, "浸潤式微影技術(shù)”也有極限, 預(yù)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(shè)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(dāng)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(zhì)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(zhuǎn)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(shè)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(diào)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(shù), 未來很可能會參與新型設(shè)備的開發(fā), 同樣在半導(dǎo)體制程領(lǐng)先, 并且也收到艾斯摩爾邀約的臺積電, 三星, 當(dāng)然要謹慎考慮是否入股, 否則讓英特爾在超紫外光技術(shù)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(dāng)然就是入股艾斯摩爾, 跟英特爾共同參與超紫外光技術(shù)的開發(fā). 第二套劇本, 是不入股艾斯摩爾, 然后與其它設(shè)備廠共同開發(fā)超紫外光技術(shù). 第三套劇本, 是不入股艾斯摩爾, 也不找其它設(shè)備廠共同開發(fā)超紫外光技術(shù), 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(shù), 造價昂貴的十八寸晶圓設(shè)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(chǎn)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(shù), 是十二寸晶圓的2.25倍. 不過, 過去人們也預(yù)估十二寸晶圓所能切割出的晶粒數(shù), 是八寸晶圓的2.25倍, 但實際上, 十二寸晶圓廠的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)的廠商, 可能只有在十二寸矽晶圓具有領(lǐng)先地位的日商信越(Shin-Etsu Handotai), 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(shè)備業(yè)者都沒有能力獨力開發(fā)十八寸晶圓設(shè)備, 光罩業(yè)者也表示, 恐怕很難制作出比現(xiàn)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(lián)電在這方面則是相對保守. 目前, 臺積電規(guī)劃第一條試產(chǎn)線將架設(shè)在竹科12廠第六期, 2015年在中科15廠第五期量產(chǎn), 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(chǎn)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.