EUV与18英寸晶圆工艺皆延迟，业界焦急与无奈

数十年来，光刻一直是关键的芯片生产技术，今天它仍然很重要。不过，EUV技术的一再延迟已经让整个业界麻木了，摆脱光刻技术的沮丧看来遥遥无期。今天的193nm浸没式光刻技术仍然远远领先，业界一度认为193nm浸没式光刻会在32nm遭遇极限，现在看来该技术可扩展到1x纳米节点。不过，要获得这些刻蚀图案，芯片制造商必须采取更昂贵的双重曝光工艺。ASML公司希望让EUV技术能应用在22nm节点，但尼康认为在16或11nm节点前，该技术都尚未就绪。ASML最近向三星电子推出了首款独立的预生产EUV设备NXE:3100，ASML现总共有六张NXE:3100订单。有两家厂商为ASML的NXE:3100工具提供光源：Cymer和Ushio。

Cymer已经开发了基于激光激发等离子型(laser-produced plasma, LPP)技术的光源。“根据我们的技术蓝图，HVM Gen 1 Cymer光源的目标是达到105W的输出功率；HVM Gen 2约达250W，而HVM Gen 3则约350W。”Cymer公司市场与光刻技术副总裁Nigel Farrar博士说，“也就是说，Cymer的脚步有点落后于功率需求。“我估计在2012年该数字将增加一倍达到40W，在2013年之前都无法实现100W的目标。”他说。“所以我们可以预期100W的光源与NXE:3300设备同时问世，这是一件好事，因为100W可支持每小时80片晶圆的吞吐量，一些专家认为这是量产最低吞吐量。”目前的共识是EUV生产设备必须达到至少每小时65~80片晶圆的吞吐量，才能让EUV具经济效益。而2011年已经装机的光源功率还只能支持到5片/小时的吞吐量，这离规模量产还是太远。所以Nigel认为必须到2013年才能达到EUV的量产水平，这离该公司原来的技术蓝图的进度安排延迟了有3年之久，当然这点延迟根本不算什么，业界早就习以为常。不过Nigel还是对EUV的市场前景报以极大的乐观，他认为只要设备吞吐量高于75片/小时，制造成本就会低于现有的浸没式光刻工艺，而随着光源功率的提升，这个吞吐量还有极大的提升空间，比如100W的光源可实现每小时60片晶圆的吞吐量；而250W的光源每小时可处理125片晶圆，现在每小时100片晶圆的吞吐量，是已被晶片制造商采用的前几代193nm浸没式光刻设备的基准吞吐量。所以业内所有的半导体制造商都对该技术非常关注，尤其是对成本极端敏感的存储器厂商。预期在2013-2014年就会有存储器厂商开始量产EUV技术，逻辑芯片厂商则预计在2014-2015之间，Intel可能是最早使用该技术的逻辑芯片厂商。

而另一家半导体生产设备巨头KLA-Tencor的首席市场营销官Brian Trafas博士则认为EUV的技术研发不会那么顺利，他预计2017年EUV才能正式量产，因为不单单是光源的延迟，其他配套的技术比如光刻胶、光罩和光阻都需要跟上。EUV对光刻技术来说是一次飞跃，整个业界非常企盼，但是技术难度实在太大，无法在近期完成研发，达到量产化。但是谈到大家更加关心的450mm晶圆技术的时候，他表示2016年会进入beta测试阶段，而2018年才会正式量产，因为晶圆尺寸增大是产业最大规模且最具破坏性的投资，为转变过程带来极大的挑战。每一件工艺和自动化设备须重新设计，从晶体生长到最终测试。他认为450mm设备的技术要求远远超过在现有300mm设备的基础上简单地线性增长。晶圆平整性、晶圆热扩张等特性都将最终导致光刻、淀积、平坦化等工艺物理性的改变。现有的300mm工艺中将近1000步工序的每一步都需要重新科研分析和工程再造。更大晶圆的数据处理和测量要求将放缓生产周期，良率也会受到较大的影响。这与业界原来的传闻有所延迟，据DigiTimes的消息称，台积电按照原定计划推动450mm晶圆的发展，预计在2014到2015年开始新规格晶圆的生产，并在2015到2016年间正式投入量产。台积电的450mm晶圆生产设备可在2014年完成安装并在2015年开始进行小批量的试产，如果一切顺利，2015年到2016年间即可进入量产阶段。Intel爱尔兰分公司的研发高管 Leonard Hobbs曾在2011年ISS-SEMI会议上透露，Intel预计2015年其首条450mm产线将可开始试产。同时他还表示，预计2012首批测试用450mm晶圆可制成，相应的芯片生产设备方面则会在2013年到位。显然半导体芯片制造商过分乐观，450mm晶圆生产工艺的技术难度超出了业界的想象。

相对于目前300mm晶圆，450mm晶圆的尺寸和可制造的芯片数目远远胜出（2倍多），对于芯片制造商来说，这具有相当吸引力。更大的晶圆尺寸意味着更低的每芯片量产成本，但是要研发450mm晶圆所需的设备，投资可能高达1000亿美元。在过去，每改换一次晶圆尺寸需要大约10年时间，例如从1991年采用200毫米晶圆开始计算，到2001年开始启用300毫米晶圆技术就需要至少十年时间。鉴于过去每10年，半导体工业便向更大晶圆尺寸进行转移；为跟上历史的步伐，三星、台积电和英特尔等半导体巨头都曾表示，2012年是开始450mm晶圆的适当时机，但是这个预测显然过分乐观，现在2015年量产的可能性也已经不存在，半导体生产技术的急速进步在技术和市场的压力下戛然而止。450mm晶圆的经济分析和总成本争论还包括融资模式的问题。Trafas博士称300mm晶圆升级受益的只是芯片制造商，整个供应链还没有从上一次晶圆转进中收回研发成本。SEMI估计300mm转变中研发成本超过220亿美元。早在2005年SEMI就表示，产业面临研发投资缺口，威胁到与摩尔定律相关的成本降低的可持续性。2006年，SEMI表示在转向450mm构想之前，产业需要通过好的模式来融资，使每一个参与其中的厂商都能获得合理的回报。

多数业内人士认为现在的问题并不是什么时候升级，而是还需不需要。如果市场需求下降，那么大量的技术升级带来的资本支出将给半导体芯片制造商带来巨大的负担。Trafas博士认为：“2011年的芯片出货量已经见顶，2012年出货量将会回落，其中台积电和格罗方德都会下降，下降幅度在10%～15%，只有三星仍旧会增加产能，主要是NAND闪存仍旧会有增长，DRAM还无法确定。”由于全球宏观经济形势日趋恶化，半导体行业整体出货量下降的幅度可能还不止这些。

本文来自《电子工程专辑》2012年2月刊，为本刊作者原创，谢绝转载。