近期, 英特爾(Intel)取得半導體設備業者艾斯摩爾(ASML)15 %股權, 意圖藉由艾斯摩爾在20nm極速紫外光技術的領先優勢, 擴大與競爭對手間在高階製程的技術差距.
什麼是極速紫外光? 這得從傳統半導體的製造過程談起.
共筆作者: 隨風; 資料與圖片來源: Softpedia; eettaiwan; TSMC;
在半導體業, 通常以”線寬”代表電晶體的尺寸, 線寬越細, 元件越小, 每個晶片能儲存的資料量就越大, 運算速度及晶片效能當然也會有所提升. 換而言之, 我們常聽到的”45nm製程”, 其實就是指線寬, 因此, 以45nm製程生產的晶片, 效能通常會優於以65nm製程生產.
傳統上, 半導體製造是透過”微影”的方式, 先在晶片上塗一層光阻劑, 再利用光線的投射, 將光罩的圖案轉印到晶片上, 接著以強酸蝕刻的方式清除曝光的部份, 最後再清洗晶片上殘留的化學藥劑. 可想而知, 在微影的過程中, 必要條件就是轉印要非常清晰, 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)開發出光源波長193nm的設備, 在65nm製程遇到了瓶頸, 也就是該設備無法轉印出那麼細的線寬. 所幸, 台積電林本堅先生以”水”作為介質, 利用水的折射率小於空氣的特性, 讓光線能聚焦在更細小的區域, 以縮小線寬. 這項創新, 讓台積電得以領先開發出45nm技術, 拉開與競爭對手的差距, 稱為”浸潤式微影技術”.
然而, “浸潤式微影技術”也有極限, 預估在22nm就會遇到瓶頸, 未來開發16nm製程時, 勢必要改變光源波長, 開發出新的設備.
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, 目前還很難看出最後會由誰勝出.
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, 就是任何材質的東西都很容易吸收這種光線. 而在傳統的曝光過程中, 也就是透過光線投射轉印光罩圖案的過程, 光源必須多次穿過透鏡, 才能聚焦在晶片上. 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, 製作困難, 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.
至於電子束, 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後, 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佈局超紫外光技術, 未來很可能會參與新型設備的開發, 同樣在半導體製程領先, 並且也收到艾斯摩爾邀約的台積電, 三星, 當然要謹慎考慮是否入股, 否則讓英特爾在超紫外光技術取得優勢, 就會對自身競爭力造成負面影響.
為此, 台積電擬定了三套劇本: 第一套劇本, 當然就是入股艾斯摩爾, 跟英特爾共同參與超紫外光技術的開發. 第二套劇本, 是不入股艾斯摩爾, 然後與其他設備廠共同開發超紫外光技術. 第三套劇本, 是不入股艾斯摩爾, 也不找其他設備廠共同開發超紫外光技術, 然後自行研究突破微縮瓶頸的其他方案.
不過, 艾斯摩爾向英特爾, 台積電, 三星求援, 可不只是因為無法獨力開發超紫外光技術, 造價昂貴的十八吋晶圓設備, 也是該公司向外尋求金援的重要原因.
十八吋晶圓有極高的生產效益, 以個人電腦晶片為例, 十八吋晶圓所能切割出的晶粒數, 是十二吋晶圓的2.25倍. 不過, 過去人們也預估十二吋晶圓所能切割出的晶粒數, 是八吋晶圓的2.25倍, 但實際上, 十二吋晶圓廠的產能往往是八吋晶圓廠的4~5倍, 這個情形也很可能會發生在十八吋晶圓廠.
雖然生產效益極高, 但十八吋晶圓廠的造價也非常昂貴, 業界估計造價在2,500億元以上, 遠高於十二吋晶圓廠的800~1,000億元. 此外, 有能力投入十八吋矽晶圓生產的廠商, 可能只有在十二吋矽晶圓具有領先地位的日商信越(Shin-Etsu Handotai), 日商小松(SUMCO), 德商世創電材(Siltronic), 因此十八吋矽晶圓的售價可能也會遠高於十二吋矽晶圓.
十八吋晶圓廠的發展還面臨許多難題, 從艾斯摩爾向英特爾, 台積電, 三星尋求金援, 我們就能看出大部分的設備業者都沒有能力獨力開發十八吋晶圓設備, 光罩業者也表示, 恐怕很難製作出比現有十二吋更大的光罩. 此外, 製程開發, 良率提升, 矽晶圓搬運, 也都是難以克服的問題, 因此業界估計十八吋晶圓廠要等到2017年才能順利運作.
台灣擁有全球最密集的十二吋晶圓廠, 但只有台積電有意願投入十八吋晶圓的開發, 聯電在這方面則是相對保守. 目前, 台積電規劃第一條試產線將架設在竹科12廠第六期, 2015年在中科15廠第五期量產, 可想而知, 未來幾年台積電將投入鉅額資本支出, 建造十八吋晶圓產線.
至於台積電是否會入股艾斯摩爾? 未來20nm以下的微縮製程將由誰勝出? 十八吋晶圓廠是否能順利運作? 就讓我們拭目以待.
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