延續(xù)半導(dǎo)體量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益　EUV成10奈米制程發(fā)展關(guān)鍵

半導(dǎo)體的發(fā)展隨著摩爾定律(Moore’s Law)演進(jìn)，雖然是關(guān)關(guān)難過(guò)但還是關(guān)關(guān)過(guò)，其中在制程技術(shù)上，主要瓶頸在微影制程的要求不斷提高，目前主流曝光技術(shù)是采用波長(zhǎng)193奈米(nm)的浸潤(rùn)式曝光(Immersion)技術(shù)；然而，進(jìn)入32/28奈米以下制程節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)有單次曝光制程已無(wú)法滿足先進(jìn)制程閘極線寬制作需求，須導(dǎo)入與以往不同且更繁復(fù)的雙重曝光(Double-Patterning)技術(shù)，制造流程如圖1所示。


圖1 雙重曝光制造流程示意圖
過(guò)去僅用193奈米波長(zhǎng)的浸潤(rùn)式曝光技術(shù)即可符合制程需求，毋須采用雙重曝光方案，因此微影制程步驟較簡(jiǎn)單，可較快進(jìn)入蝕刻(Etching)階段隨即可獲得晶圓所需的圖案(Pattern)。

大減多重曝光成本EUV技術(shù)成眾望所歸

一旦為彌補(bǔ)193浸潤(rùn)式曝光技術(shù)不足而使用雙重曝光，甚至是三次以上的多重曝光(Multiple Patterning)制程方案時(shí)，整體晶圓制程步驟與難度將會(huì)大幅增加，間接使晶圓廠的生產(chǎn)成本大增，以致于無(wú)法符合生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，故發(fā)展新一代微影制程技術(shù)系當(dāng)前半導(dǎo)體供應(yīng)鏈最重要的課題。

目前在眾多新技術(shù)選項(xiàng)中，極紫外光(Extreme Ultra Violet, EUV)微影是目前最受業(yè)界青睞的方案，其設(shè)備架構(gòu)如圖2所示，現(xiàn)遭遇最主要的挑戰(zhàn)是光源能量不足；在微影制程中，為達(dá)到較小波長(zhǎng)的曝光光源，必須經(jīng)過(guò)更多鏡片反射，能量衰減的速度必定較以往曝光設(shè)備來(lái)得快，因此要在晶圓表面上接收到與過(guò)去制程相同能量，設(shè)備商就須提高光源能量。


圖2 EUV架構(gòu)示意圖
盡管EUV尚有技術(shù)挑戰(zhàn)待克服，但如前文所述，先進(jìn)制程若使用多重曝光技術(shù)，將使制程步驟大幅增加，對(duì)晶圓廠而言，目前工廠里的制造流程已是最佳化制程，一旦增加一道制造步驟，將牽動(dòng)晶圓循環(huán)周期與生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量的增加，制造與設(shè)備攤提成本也必定隨之上升，如圖3為使用EUV與雙重曝光技術(shù)所需設(shè)備數(shù)量與占用無(wú)塵室空間的比較。


圖3 雙重曝光技術(shù)與EUV所需的制程設(shè)備和占用空間比較資料來(lái)源：ASML
如今在32/28奈米制程，已必須采用雙重曝光技術(shù)，未來(lái)隨著1x奈米先進(jìn)制程導(dǎo)入，關(guān)鍵的閘極等制程難度提高，浸潤(rùn)式雙重曝光技術(shù)將難以達(dá)到先進(jìn)制程線寬的需求，因而須借重多重曝光技術(shù)，新增的步驟將使生產(chǎn)成本急遽上升，并連帶造成蝕刻、沉積與清洗設(shè)備的需求大增，在資本支出的部分將相當(dāng)驚人，一旦生產(chǎn)成本不符合經(jīng)濟(jì)效益，半導(dǎo)體制造廠商開發(fā)先進(jìn)制程的意愿將會(huì)被打上一個(gè)大問(wèn)號(hào)。

EUV相對(duì)于多重曝光技術(shù)，約可省下60%設(shè)備采購(gòu)成本，綜合以上觀點(diǎn)來(lái)看，EUV的研發(fā)進(jìn)度，對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)展與演進(jìn)，各界會(huì)如此的投以相當(dāng)關(guān)注的眼神，就一點(diǎn)也不驚訝。

圖4所示系假設(shè)2017年EUV設(shè)備研發(fā)宣告失敗為前提的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，依各大半導(dǎo)體制造廠商所宣布的研發(fā)藍(lán)圖來(lái)看，屆時(shí)將進(jìn)入10奈米或甚至是更先進(jìn)的7奈米制程，其制程難度將會(huì)是以指數(shù)關(guān)系成長(zhǎng)，黃光微影制程須使用多重曝光技術(shù)(預(yù)測(cè)為四次曝光(Quadruple-patterning))，制程設(shè)備的資本支出將會(huì)因此大增約60%。


圖4 2017年EUV研發(fā)失敗的半導(dǎo)體資本支出預(yù)測(cè)資料來(lái)源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
與此同時(shí)，半導(dǎo)體制造大廠相繼亦宣稱將在2018年建立第一座18寸晶圓量產(chǎn)工廠，切入制程節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)將是10或7奈米制程，因此EUV發(fā)展成功與否不僅攸關(guān)摩爾定律是否能繼續(xù)推進(jìn)，亦牽連18寸晶圓廠的建立，正可謂「牽一發(fā)、動(dòng)全身」，重要性不言可喻。也因此，國(guó)際各大半導(dǎo)體制造廠商愿意投入數(shù)10億歐元予半導(dǎo)體微影設(shè)備大廠艾司摩爾(ASML)，且對(duì)于EUV未來(lái)發(fā)展皆抱著勢(shì)必要成功的決心。
半導(dǎo)體廠全力襄助EUV可望2017年導(dǎo)入商用
圖5為全球晶圓制造廠設(shè)備支出趨勢(shì)與黃光微影設(shè)備的比重，預(yù)計(jì)未來(lái)整體半導(dǎo)體設(shè)備支出將逐年提高，其中黃光微影設(shè)備在整體資本支出的比重更將顯著攀升，預(yù)估在2017年將會(huì)達(dá)到總設(shè)備支出的32.1%，將高達(dá)約三分之一比重。


圖5 2007～2017年黃光微影設(shè)備支出占設(shè)備總支出比例資料來(lái)源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
然而，晶圓制造成本為半導(dǎo)體制程的發(fā)展中，供應(yīng)鏈業(yè)者最重要的考量因素之一，當(dāng)產(chǎn)品獲利不如預(yù)期，甚至是不敷制造成本，都將影響制造廠商的資源投入與生產(chǎn)意愿。其中，晶圓產(chǎn)出速度(Throughput)則為成本控制中最重要的參考指標(biāo)之一，若可減少在無(wú)塵室內(nèi)的循環(huán)周期(Cycle Time)，將有助減少生產(chǎn)成本，故在發(fā)展EUV時(shí)，為符合量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)出速度將會(huì)是關(guān)鍵。

現(xiàn)今所使用的浸潤(rùn)式微影設(shè)備，每小時(shí)的晶圓產(chǎn)出速度約200wph(晶圓數(shù)量/1小時(shí))；預(yù)估EUV生產(chǎn)速度須達(dá)到100wph，相當(dāng)于光源能量為250瓦(W)的條件下，才有足夠的生產(chǎn)效益；但EUV目前主要所遭遇到最大的挑戰(zhàn)就是光源能量不足，且與250瓦尚有段不小的差距，導(dǎo)致曝光顯影設(shè)備的推出時(shí)程不斷地被延后，迫使國(guó)際各大半導(dǎo)體制造廠商也不得不將原先設(shè)定的目標(biāo)向下調(diào)整，勉強(qiáng)接受將產(chǎn)出速度目標(biāo)改為60wph(相當(dāng)于光源能量為100瓦)。

截至2013上半年為止，EUV曝光光源能量約只有60瓦，晶圓產(chǎn)出速度仍約只有30?40wph；主要設(shè)備供應(yīng)商ASML將于2013年底釋出原型機(jī)予客戶使用。國(guó)際各大半導(dǎo)體制造廠商如英特爾(Intel)、臺(tái)積電與三星(Samsung)等已投入大量研發(fā)資源于ASML，期待可加速EUV設(shè)備開發(fā)進(jìn)度與自家先進(jìn)制程產(chǎn)線布建腳步；在半導(dǎo)體大廠全力相挺下，預(yù)估具有量產(chǎn)價(jià)值的EUV微影設(shè)備(60wph)可望于2017年推出。

至于2018年18寸晶圓制造亦可望導(dǎo)入量產(chǎn)，屆時(shí)EUV將會(huì)同步應(yīng)用于18寸晶圓的制造。從以上的論述看來(lái)，EUV設(shè)備的重要性已不可言喻，然而，未來(lái)EUV還會(huì)遇到什么問(wèn)題與挑戰(zhàn)，依舊是個(gè)未知數(shù)。

圖6為微影設(shè)備各項(xiàng)分類設(shè)備需求的成本比例，前文有提到，2013年ASML可望推出原型機(jī)臺(tái)，光源為60瓦的ASML3300系統(tǒng)，晶圓產(chǎn)出速度約為30wph，故在2013年EUV設(shè)備投資比重將開始放大。從此預(yù)測(cè)資料來(lái)看，接著幾年預(yù)估EUV占比將逐年翻升，在半導(dǎo)體的演進(jìn)藍(lán)圖上將扮演著舉足輕重的角色。 [!--empirenews.page--]


圖6 各種黃光微影設(shè)備的滲透率發(fā)展趨勢(shì)資料來(lái)源：Gartner，工研院IEK整理分析(2013/08)
避免EUV研發(fā)覆敗多重電子束成主要備案

雖然EUV對(duì)于半導(dǎo)體制程的演進(jìn)與發(fā)展有相當(dāng)大的影響力，但是屆時(shí)如果依舊無(wú)法達(dá)到量產(chǎn)需求，那替代方案是什么呢？目前呼聲最高的是無(wú)光罩(Maskless)的電子束(E-Beam)技術(shù)；E-Beam目前主要應(yīng)用在光罩制作與部分檢測(cè)設(shè)備(如電子顯微鏡、SEM、Scanning Electron Microscope)。半導(dǎo)體相關(guān)研究機(jī)構(gòu)一般會(huì)將E-Beam用于IC圖案制作，如國(guó)家奈米元件實(shí)驗(yàn)室(NDL)正用于進(jìn)行10奈米以下元件的研究。

從以上的論述來(lái)看，想必各位讀者也大概猜出E-Beam主要面臨的問(wèn)題，雖然可以進(jìn)行較先進(jìn)制程的制作與研究，但目前只限于實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)出速度并無(wú)經(jīng)濟(jì)效益可言，單片晶圓制作是以小時(shí)為單位，無(wú)法順利投入量產(chǎn)。

這與目前E-Beam的半導(dǎo)體晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備遇到相同的設(shè)計(jì)問(wèn)題，但目前設(shè)備廠商已著手在進(jìn)行改善產(chǎn)出速度的問(wèn)題，例如利用多重電子束(Multi E-Beam)來(lái)提高晶圓產(chǎn)出速度等方法。

現(xiàn)階段，全球僅有幾間主要的E-Beam相關(guān)設(shè)備供應(yīng)商，包括Mapper、美商科磊(KLA-Tencor)和Vistec等半導(dǎo)體設(shè)備制造廠，其中Mapper主要與臺(tái)積電合作，已放置一臺(tái)原型機(jī)于臺(tái)積電無(wú)塵室內(nèi)，預(yù)計(jì)2013年將置入第二臺(tái)原型機(jī)繼續(xù)共同合作研發(fā)。

在KLA-Tencor方面，預(yù)計(jì)2015年將推出Multi E-Beam的設(shè)備以提高晶圓產(chǎn)出速度。

事實(shí)上，一般業(yè)界預(yù)估，E-Beam微影方案的切入節(jié)點(diǎn)亦將是10或7奈米，在時(shí)程上與EUV相當(dāng)；但是，E-Beam還有一個(gè)較大的問(wèn)題是，目前全球半導(dǎo)體業(yè)者的眼光與資源大多投入EUV研發(fā)，在IC制造廠商方面，只有臺(tái)積電對(duì)E-Beam研究表現(xiàn)的較為積極。

根據(jù)市場(chǎng)研究調(diào)查機(jī)構(gòu)顧能(Gartner)預(yù)估，E-Beam要達(dá)到產(chǎn)出速度為100wph所需經(jīng)費(fèi)仍需6,000?7,000萬(wàn)美元，其他在材料研發(fā)方面也須投注大量資源。一般而言，E-Beam實(shí)為EUV的備案，除非EUV在研發(fā)上真的遭遇到重大問(wèn)題，否則預(yù)估導(dǎo)入E-Beam的時(shí)程應(yīng)該會(huì)往后延至5奈米制程節(jié)點(diǎn)上。

都為產(chǎn)出速度所苦EUV/E-Beam研發(fā)不停歇

無(wú)庸置疑，EUV已被半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)公認(rèn)為下一世代黃光微影設(shè)備主流，主要可降低因多重曝光所增加的生產(chǎn)成本，對(duì)半導(dǎo)體制造商有不得失敗的壓力，但目前最主要的挑戰(zhàn)則是在曝光光源能量的不足，原先設(shè)定250瓦(產(chǎn)出速度為100wph)才可符合降低生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)效益；也由于EUV的光源技術(shù)一直難以突破，廠商已有默契將目標(biāo)降低為100瓦(60wph)，當(dāng)前設(shè)備研發(fā)進(jìn)度則達(dá)到60瓦(30?40wph)規(guī)格，預(yù)計(jì)ASML將于2013年底推出原型機(jī)予各大客戶。

近期ASML已從三大主要客戶方面募得資金并加緊投入EUV研發(fā)，臺(tái)積電即為其中一員，這樣的合作關(guān)系在過(guò)去半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史上是前所未見(jiàn)的事情，顯示出EUV技術(shù)的影響性足以撼動(dòng)未來(lái)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

至于EUV的替代方案方面，則以E-Beam呼聲最高，但同樣遭遇到產(chǎn)出速度的問(wèn)題，且目前投入研發(fā)的資源尚嫌不足，半導(dǎo)體制造廠商只有臺(tái)積電與Mapper共同研發(fā)，其他制造廠商依舊保持觀望的態(tài)度。

借重半導(dǎo)體制造優(yōu)勢(shì)臺(tái)灣將成EUV設(shè)備發(fā)展要沖

臺(tái)灣雖然在黃光微影設(shè)備的研發(fā)方面，可著墨之處不多，但臺(tái)灣是全球半導(dǎo)體制造重鎮(zhèn)，應(yīng)利用其特殊的產(chǎn)業(yè)型態(tài)與聚落，吸引國(guó)際各大設(shè)備、材料廠商于臺(tái)灣投資，并設(shè)立研發(fā)中心，將可帶動(dòng)國(guó)內(nèi)各相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)與競(jìng)爭(zhēng)力的提升，將會(huì)有很大的幫助。

(本文作者為工研院IEK系統(tǒng)IC與制程研究部研究員)