台积电的机会与挑战

2012-07-18 13:00:58来源: chinatimes
    近期, 英特尔(Intel)取得半导体设备业者艾斯摩尔(ASML)15 %股权, 意图藉由艾斯摩尔在20nm极速紫外光技术的领先优势, 扩大与竞争对手间在高阶制程的技术差距. 什么是极速紫外光? 这得从传统半导体的制造过程谈起.

共笔作者: 随风; 资料与图片来源: Softpedia; eettaiwan; TSMC;

在半导体业, 通常以”线宽”代表晶体管的尺寸, 线宽越细, 元件越小, 每个芯片能储存的资料量就越大, 运算速度及芯片效能当然也会有所提升. 换而言之, 我们常听到的”45nm制程”, 其实就是指线宽, 因此, 以45nm制程生产的芯片, 效能通常会优于以65nm制程生产.


传统上, 半导体制造是透过”微影”的方式, 先在芯片上涂一层光阻剂, 再利用光线的投射, 将光罩的图案转印到芯片上, 接着以强酸蚀刻的方式清除曝光的部份, 最后再清洗芯片上残留的化学药剂. 可想而知, 在微影的过程中, 必要条件就是转印要非常清晰, 否则很难蚀刻出工程师们想要的电路.

艾斯摩尔以”深紫外光”(DUV)开发出光源波长193nm的设备, 在65nm制程遇到了瓶颈, 也就是该设备无法转印出那么细的线宽. 所幸, 台积电林本坚先生以”水”作为介质, 利用水的折射率小于空气的特性, 让光线能聚焦在更细小的区域, 以缩小线宽. 这项创新, 让台积电得以领先开发出45nm技术, 拉开与竞争对手的差距, 称为”浸润式微影技术”.


然而, "浸润式微影技术”也有极限, 预估在22nm就会遇到瓶颈, 未来开发16nm制程时, 势必要改变光源波长, 开发出新的设备.


目前, 新世代的光源有两大候选: 电子束(e-beam), 超紫外光(EUV), 但两者都有难以解决的问题, 目前还很难看出最后会由谁胜出.

超紫外光的波长只有13.5nm, 既然要缩小线宽, 光源波长当然是越小越好, 可惜超紫外光有个很严重的缺陷, 就是任何材质的东西都很容易吸收这种光线. 而在传统的曝光过程中, 也就是透过光线投射转印光罩图案的过程, 光源必须多次穿过透镜, 才能聚焦在芯片上. 在这个过程中, 超紫外光的能量会被吸收殆尽, 因此曝光过程要重新设计, 将透镜改为反射镜, 才能解决这个问题.

然而, 反射式光罩的成本高昂, 制作困难, 且在反射的过程中, 光线能量会受到折损, 多次反射下来可能只剩下不到10%的能量, 所以光线的能量要很高.


至于电子束, 是将电子射向光阻来进行曝光, 但高能量的电子束射向光阻后, 常会使附近不该曝光的部份也曝光了, 造成线路不够清晰, 线路之间分际不明确, 甚至是整条线消失的情形. 如果调弱电子束的能量, 则可能无法穿透光阻而四处散射, 造成线路粗细不一.

让我们回到英特尔入股艾斯摩尔的议题. 这件事反映英特尔开始布局超紫外光技术, 未来很可能会参与新型设备的开发, 同样在半导体制程领先, 并且也收到艾斯摩尔邀约的台积电, 三星, 当然要谨慎考虑是否入股, 否则让英特尔在超紫外光技术取得优势, 就会对自身竞争力造成负面影响.


为此, 台积电拟定了三套剧本: 第一套剧本, 当然就是入股艾斯摩尔, 跟英特尔共同参与超紫外光技术的开发. 第二套剧本, 是不入股艾斯摩尔, 然后与其它设备厂共同开发超紫外光技术. 第三套剧本, 是不入股艾斯摩尔, 也不找其它设备厂共同开发超紫外光技术, 然后自行研究突破微缩瓶颈的其它方案.

不过, 艾斯摩尔向英特尔, 台积电, 三星求援, 可不只是因为无法独力开发超紫外光技术, 造价昂贵的十八寸晶圆设备, 也是该公司向外寻求金援的重要原因.

十八寸晶圆有极高的生产效益, 以个人计算机芯片为例, 十八寸晶圆所能切割出的晶粒数, 是十二寸晶圆的2.25倍. 不过, 过去人们也预估十二寸晶圆所能切割出的晶粒数, 是八寸晶圆的2.25倍, 但实际上, 十二寸晶圆厂的产能往往是八寸晶圆厂的4~5倍, 这个情形也很可能会发生在十八寸晶圆厂.


虽然生产效益极高, 但十八寸晶圆厂的造价也非常昂贵, 业界估计造价在2,500亿元以上, 远高于十二寸晶圆厂的800~1,000亿元. 此外, 有能力投入十八寸矽晶圆生产的厂商, 可能只有在十二寸矽晶圆具有领先地位的日商信越(Shin-Etsu Handotai), 日商小松(SUMCO), 德商世创电材(Siltronic), 因此十八寸矽晶圆的售价可能也会远高于十二寸矽晶圆.

十八寸晶圆厂的发展还面临许多难题, 从艾斯摩尔向英特尔, 台积电, 三星寻求金援, 我们就能看出大部分的设备业者都没有能力独力开发十八寸晶圆设备, 光罩业者也表示, 恐怕很难制作出比现有十二寸更大的光罩. 此外, 制程开发, 良率提升, 矽晶圆搬运, 也都是难以克服的问题, 因此业界估计十八寸晶圆厂要等到2017年才能顺利运行.


台湾拥有全球最密集的十二寸晶圆厂, 但只有台积电有意愿投入十八寸晶圆的开发, 联电在这方面则是相对保守. 目前, 台积电规划第一条试产线将架设在竹科12厂第六期, 2015年在中科15厂第五期量产, 可想而知, 未来几年台积电将投入巨额资本支出, 建造十八寸晶圆产线.

至于台积电是否会入股艾斯摩尔? 未来20nm以下的微缩制程将由谁胜出? 十八寸晶圆厂是否能顺利运行? 就让我们拭目以待.

关键字:台积电  机会  挑战

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/0718/article_13838.html
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