臺(tái)積電的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)
[導(dǎo)讀]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(shì),擴(kuò)大與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(guò)程談起.共筆作者:隨
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(shì),擴(kuò)大與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(guò)程談起.
共筆作者:隨風(fēng);資料與圖片來(lái)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(xì),元件越小,每個(gè)芯片能儲(chǔ)存的資料量就越大,運(yùn)算速度及芯片效能當(dāng)然也會(huì)有所提升.換而言之,我們常聽到的”45nm制程”,其實(shí)就是指線寬,因此,以45nm制程生產(chǎn)的芯片,效能通常會(huì)優(yōu)于以65nm制程生產(chǎn).
傳統(tǒng)上,半導(dǎo)體制造是透過(guò)”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(qiáng)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(guò)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(zhǎng)193nm的設(shè)備,在65nm制程遇到了瓶頸,也就是該設(shè)備無(wú)法轉(zhuǎn)印出那么細(xì)的線寬.所幸,臺(tái)積電林本堅(jiān)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(xì)小的區(qū)域,以縮小線寬.這項(xiàng)創(chuàng)新,讓臺(tái)積電得以領(lǐng)先開發(fā)出45nm技術(shù),拉開與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差距,稱為”浸潤(rùn)式微影技術(shù)”.
然而,"浸潤(rùn)式微影技術(shù)”也有極限,預(yù)估在22nm就會(huì)遇到瓶頸,未來(lái)開發(fā)16nm制程時(shí),勢(shì)必要改變光源波長(zhǎng),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(wèn)題,目前還很難看出最后會(huì)由誰(shuí)勝出.
超紫外光的波長(zhǎng)只有13.5nm,既然要縮小線寬,光源波長(zhǎng)當(dāng)然是越小越好,可惜超紫外光有個(gè)很嚴(yán)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(guò)程中,也就是透過(guò)光線投射轉(zhuǎn)印光罩圖案的過(guò)程,光源必須多次穿過(guò)透鏡,才能聚焦在芯片上.在這個(gè)過(guò)程中,超紫外光的能量會(huì)被吸收殆盡,因此曝光過(guò)程要重新設(shè)計(jì),將透鏡改為反射鏡,才能解決這個(gè)問(wèn)題.
然而,反射式光罩的成本高昂,制作困難,且在反射的過(guò)程中,光線能量會(huì)受到折損,多次反射下來(lái)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(lái)進(jìn)行曝光,但高能量的電子束射向光阻后,常會(huì)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(wú)法穿透光阻而四處散射,造成線路粗細(xì)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(lái)很可能會(huì)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(tái)積電,三星,當(dāng)然要謹(jǐn)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(shì),就會(huì)對(duì)自身競(jìng)爭(zhēng)力造成負(fù)面影響.
為此,臺(tái)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(guò),艾斯摩爾向英特爾,臺(tái)積電,三星求援,可不只是因?yàn)闊o(wú)法獨(dú)力開發(fā)超紫外光技術(shù),造價(jià)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(gè)人計(jì)算機(jī)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(guò),過(guò)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(shí)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(gè)情形也很可能會(huì)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(jià)也非常昂貴,業(yè)界估計(jì)造價(jià)在2,500億元以上,遠(yuǎn)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-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(jià)可能也會(huì)遠(yuǎn)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(tái)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(dú)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(yùn),也都是難以克服的問(wèn)題,因此業(yè)界估計(jì)十八寸晶圓廠要等到2017年才能順利運(yùn)行.
臺(tái)灣擁有全球最密集的十二寸晶圓廠,但只有臺(tái)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(duì)保守.目前,臺(tái)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(lái)幾年臺(tái)積電將投入巨額資本支出,建造十八寸晶圓產(chǎn)線.
至于臺(tái)積電是否會(huì)入股艾斯摩爾?未來(lái)20nm以下的微縮制程將由誰(shuí)勝出?十八寸晶圓廠是否能順利運(yùn)行?就讓我們拭目以待.
共筆作者:隨風(fēng);資料與圖片來(lái)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(xì),元件越小,每個(gè)芯片能儲(chǔ)存的資料量就越大,運(yùn)算速度及芯片效能當(dāng)然也會(huì)有所提升.換而言之,我們常聽到的”45nm制程”,其實(shí)就是指線寬,因此,以45nm制程生產(chǎn)的芯片,效能通常會(huì)優(yōu)于以65nm制程生產(chǎn).
傳統(tǒng)上,半導(dǎo)體制造是透過(guò)”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(qiáng)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(guò)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(zhǎng)193nm的設(shè)備,在65nm制程遇到了瓶頸,也就是該設(shè)備無(wú)法轉(zhuǎn)印出那么細(xì)的線寬.所幸,臺(tái)積電林本堅(jiān)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(xì)小的區(qū)域,以縮小線寬.這項(xiàng)創(chuàng)新,讓臺(tái)積電得以領(lǐng)先開發(fā)出45nm技術(shù),拉開與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差距,稱為”浸潤(rùn)式微影技術(shù)”.
然而,"浸潤(rùn)式微影技術(shù)”也有極限,預(yù)估在22nm就會(huì)遇到瓶頸,未來(lái)開發(fā)16nm制程時(shí),勢(shì)必要改變光源波長(zhǎng),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(wèn)題,目前還很難看出最后會(huì)由誰(shuí)勝出.
超紫外光的波長(zhǎng)只有13.5nm,既然要縮小線寬,光源波長(zhǎng)當(dāng)然是越小越好,可惜超紫外光有個(gè)很嚴(yán)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(guò)程中,也就是透過(guò)光線投射轉(zhuǎn)印光罩圖案的過(guò)程,光源必須多次穿過(guò)透鏡,才能聚焦在芯片上.在這個(gè)過(guò)程中,超紫外光的能量會(huì)被吸收殆盡,因此曝光過(guò)程要重新設(shè)計(jì),將透鏡改為反射鏡,才能解決這個(gè)問(wèn)題.
然而,反射式光罩的成本高昂,制作困難,且在反射的過(guò)程中,光線能量會(huì)受到折損,多次反射下來(lái)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(lái)進(jìn)行曝光,但高能量的電子束射向光阻后,常會(huì)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(wú)法穿透光阻而四處散射,造成線路粗細(xì)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(lái)很可能會(huì)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(tái)積電,三星,當(dāng)然要謹(jǐn)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(shì),就會(huì)對(duì)自身競(jìng)爭(zhēng)力造成負(fù)面影響.
為此,臺(tái)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(guò),艾斯摩爾向英特爾,臺(tái)積電,三星求援,可不只是因?yàn)闊o(wú)法獨(dú)力開發(fā)超紫外光技術(shù),造價(jià)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(gè)人計(jì)算機(jī)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(guò),過(guò)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(shí)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(gè)情形也很可能會(huì)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(jià)也非常昂貴,業(yè)界估計(jì)造價(jià)在2,500億元以上,遠(yuǎn)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-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(jià)可能也會(huì)遠(yuǎn)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(tái)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(dú)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(yùn),也都是難以克服的問(wèn)題,因此業(yè)界估計(jì)十八寸晶圓廠要等到2017年才能順利運(yùn)行.
臺(tái)灣擁有全球最密集的十二寸晶圓廠,但只有臺(tái)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(duì)保守.目前,臺(tái)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(lái)幾年臺(tái)積電將投入巨額資本支出,建造十八寸晶圓產(chǎn)線.
至于臺(tái)積電是否會(huì)入股艾斯摩爾?未來(lái)20nm以下的微縮制程將由誰(shuí)勝出?十八寸晶圓廠是否能順利運(yùn)行?就讓我們拭目以待.
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