市場抉擇極限 14nm制程是半導體業(yè)難以跨越的坎？

依照摩爾定律，全球半導體的工藝制程技術(shù)平均每兩年進入一個新世代。從理性分析來看，業(yè)界都認為半導體業(yè)遲早會遇到技術(shù)上無法克服的物理極限，有人說是10nm，也有人說是7nm甚至是5nm。極限在哪里，最終將由市場做出選擇，它不僅受限于技術(shù)因素，還受成本等綜合因素的限制，因為即使在技術(shù)上可行，產(chǎn)品也未必能夠受到業(yè)界的青睞。因此，目前為止權(quán)威人士預測，制程技術(shù)上的瓶頸可能出現(xiàn)在2018年左右。

14nm制程可能是個坎

14nm制程可能是個坎，采用三次圖形曝光技術(shù)或EUV光刻技術(shù)。

縮小線路工藝尺寸和擴大硅片直徑是推動半導體業(yè)不斷地進步的“兩個輪子”，然而，目前這兩個輪子都遇到了障礙。

工藝微縮技術(shù)正面臨瓶頸。從原理上分析，采用任何波長的光源都可以得到分辨率為1/3波長的特征圖形。業(yè)界依此原理開發(fā)出將光源從248nm轉(zhuǎn)變成193nm的光刻設備，并用于65nm制程。另外又開發(fā)了多種提高分辨率的輔助技術(shù)，如相位移掩模版(PSMs)，它是拓展193nm光刻能力的關(guān)鍵。PSMs的繼續(xù)發(fā)展將依賴于更強的相位移和更復雜的特征結(jié)構(gòu)，目前最基本的是6%嵌入式的PSMs。

要使相位移技術(shù)達到下一代工藝水平要求，掩模版類型主要有三種：補償式相位移、兩次曝光圖形和可以進行低k1成像的一次曝光技術(shù)。目前兩次圖形曝光技術(shù)已趨于主流。之后設備廠開發(fā)出浸液式光刻技術(shù)，相當于將193nm波長縮短到134nm，從而提高了分辨率。業(yè)界試圖找出比純水折射指數(shù)更高的液體介質(zhì)，但至今仍未遂愿。

目前利用193nm浸液式光刻技術(shù)加上兩次圖形曝光技術(shù)等已經(jīng)成功實現(xiàn)了20nm工藝技術(shù)的量產(chǎn)。業(yè)界一致認為下一代14nm制程可能是個坎，要么采用更復雜的三次圖形曝光技術(shù)，但會大幅增加曝光次數(shù)及成本;要么采用革命性的EUV光刻技術(shù)。

不同解決方案各有利弊，各家公司都在做出選擇。英特爾傾向于采用三次圖形曝光技術(shù)，并認為有可能把193nm浸液式光刻技術(shù)延伸至10nm甚至7nm。而IBM則堅信采用兩次圖形曝光技術(shù)可以縮小到10nm，并表示未來CMOS的尺寸縮小不會馬上止步。至于EUV技術(shù)仍面臨光源強度不夠以及掩膜版等配套材料需完善的問題。與此同時，其他多種光刻技術(shù)如電子束直寫等也引起業(yè)界關(guān)注。

450mm設備廠積極性不高

受限于摩爾定律趨向終結(jié)等因素,450mm硅片可能會推遲更替。

硅片直徑也不可能無限擴大。目前，硅片直徑正由300mm向450mm過渡。從理性思維出發(fā)，硅片直徑增大是遲早會被采用的，但至今為何未被市場接受呢?可能有兩方面原因：一是半導體設備廠的積極性不高，認為450mm設備200億美元的研發(fā)成本可能無法收回;二是450mm硅片的建廠費用高達100億美元。目前對450mm制造廠有興趣的廠商僅英特爾、三星及臺積電三家。

150mm的6英寸硅片產(chǎn)能在1999年左右開始下降，200mm硅片產(chǎn)能在2009年左右下降，表明接近10年為一個硅片尺寸發(fā)展周期，由此推算2019年應該發(fā)生450mm與300mm的硅片交替。目前受限于全球經(jīng)濟大環(huán)境及摩爾定律趨向終結(jié)等因素，450mm硅片可能會推遲更替。

為了迎接挑戰(zhàn)，加快EUV光刻與450mm的進程，半導體產(chǎn)業(yè)鏈合作也在悄悄發(fā)生變化，如2012年ASML接受英特爾、臺積電與三星的投資入股。

很難再現(xiàn)兩位數(shù)以上增長

450mm硅片和EUV光刻尚需在技術(shù)手段及市場接受度方面取得突破。

受限于IC研發(fā)成本的高聳，許多頂級的IDM大廠開始擁抱代工，或轉(zhuǎn)變成fabless。在尺寸縮小方面，可能會于14nm制程時受限，即便有一定的進展，未來由于成本太高，每兩年上升一個工藝臺階的進程肯定會減緩。

雖然450mm硅片會伴隨著14nm及以下制程推進，但是根據(jù)目前已公布的路線圖顯示，英特爾在2013年將開始投產(chǎn)20nm制程，2014年晉升至14nm，2015年將達到10nm(滯后于研發(fā)路線圖)。而臺積電的工藝路線圖為16nm提前至2013年10月～12月投產(chǎn)，10nm技術(shù)在2015年投產(chǎn)，并聲稱從16nm開始采用Fin-FET結(jié)構(gòu)。因此估計全球450mm硅片生產(chǎn)線最快可能于2015年有樣片流出。

不管如何，全球半導體業(yè)自2010年增長32%之后，2011年及2012年連續(xù)兩年踏步不前，今后在450mm硅片與EUV光刻未實現(xiàn)突破的情況下很難再實現(xiàn)兩位數(shù)以上的增長。

未來半導體制造工藝可能還有兩個“發(fā)動機”，分別是450mm硅片和EUV光刻。相對于EUV光刻，450mm硅片可能會走在前列。不過目前兩者都遇到瓶頸，尚需在技術(shù)手段及市場接受度方面取得突破。