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, 擴(kuò)大與競爭對(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)體的制造過程談起.
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(kuò)大與競爭對(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(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”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(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), 拉開與競爭對(duì)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(huì)遇到瓶頸, 未來開發(fā)16nm制程時(shí), 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(huì)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(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(gè)過程中, 超紫外光的能量會(huì)被吸收殆盡, 因此曝光過程要重新設(shè)計(jì), 將透鏡改為反射鏡, 才能解決這個(gè)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(huì)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(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, 就會(huì)對(duì)自身競爭力造成負(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, 艾斯摩爾向英特爾, 臺(tái)積電, 三星求援, 可不只是因?yàn)闊o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, 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(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-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(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(yùn)行? 就讓我們拭目以待.
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(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”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(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), 拉開與競爭對(duì)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(huì)遇到瓶頸, 未來開發(fā)16nm制程時(shí), 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(huì)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(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(gè)過程中, 超紫外光的能量會(huì)被吸收殆盡, 因此曝光過程要重新設(shè)計(jì), 將透鏡改為反射鏡, 才能解決這個(gè)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(huì)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(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, 就會(huì)對(duì)自身競爭力造成負(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, 艾斯摩爾向英特爾, 臺(tái)積電, 三星求援, 可不只是因?yàn)闊o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, 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(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-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(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(yùn)行? 就讓我們拭目以待.
下載文檔
