延續(xù)半導體量產經濟效益 EUV成10奈米制程發(fā)展關鍵
[導讀]半導體的發(fā)展隨著摩爾定律(Moore’s Law)演進，雖然是關關難過但還是關關過，其中在制程技術上，主要瓶頸在微影制程的要求不斷提高，目前主流曝光技術是采用波長193奈米(nm)的浸潤式曝光(Immersion)技術；然而，進入
半導體的發(fā)展隨著摩爾定律(Moore’s Law)演進，雖然是關關難過但還是關關過，其中在制程技術上，主要瓶頸在微影制程的要求不斷提高，目前主流曝光技術是采用波長193奈米(nm)的浸潤式曝光(Immersion)技術；然而，進入32/28奈米以下制程節(jié)點，現有單次曝光制程已無法滿足先進制程閘極線寬制作需求，須導入與以往不同且更繁復的雙重曝光(Double-Patterning)技術，制造流程如圖1所示。
圖1 雙重曝光制造流程示意圖
過去僅用193奈米波長的浸潤式曝光技術即可符合制程需求，毋須采用雙重曝光方案，因此微影制程步驟較簡單，可較快進入蝕刻(Etching)階段隨即可獲得晶圓所需的圖案(Pattern)。
大減多重曝光成本EUV技術成眾望所歸
一旦為彌補193浸潤式曝光技術不足而使用雙重曝光，甚至是三次以上的多重曝光(Multiple Patterning)制程方案時，整體晶圓制程步驟與難度將會大幅增加，間接使晶圓廠的生產成本大增，以致于無法符合生產經濟效益，故發(fā)展新一代微影制程技術系當前半導體供應鏈最重要的課題。
目前在眾多新技術選項中，極紫外光(Extreme Ultra Violet, EUV)微影是目前最受業(yè)界青睞的方案，其設備架構如圖2所示，現遭遇最主要的挑戰(zhàn)是光源能量不足；在微影制程中，為達到較小波長的曝光光源，必須經過更多鏡片反射，能量衰減的速度必定較以往曝光設備來得快，因此要在晶圓表面上接收到與過去制程相同能量，設備商就須提高光源能量。
圖2 EUV架構示意圖
盡管EUV尚有技術挑戰(zhàn)待克服，但如前文所述，先進制程若使用多重曝光技術，將使制程步驟大幅增加，對晶圓廠而言，目前工廠里的制造流程已是最佳化制程，一旦增加一道制造步驟，將牽動晶圓循環(huán)周期與生產設備數量的增加，制造與設備攤提成本也必定隨之上升，如圖3為使用EUV與雙重曝光技術所需設備數量與占用無塵室空間的比較。
圖3 雙重曝光技術與EUV所需的制程設備和占用空間比較資料來源：ASML
如今在32/28奈米制程，已必須采用雙重曝光技術，未來隨著1x奈米先進制程導入，關鍵的閘極等制程難度提高，浸潤式雙重曝光技術將難以達到先進制程線寬的需求，因而須借重多重曝光技術，新增的步驟將使生產成本急遽上升，并連帶造成蝕刻、沉積與清洗設備的需求大增，在資本支出的部分將相當驚人，一旦生產成本不符合經濟效益，半導體制造廠商開發(fā)先進制程的意愿將會被打上一個大問號。
EUV相對于多重曝光技術，約可省下60%設備采購成本，綜合以上觀點來看，EUV的研發(fā)進度，對于半導體發(fā)展與演進，各界會如此的投以相當關注的眼神，就一點也不驚訝。
圖4所示系假設2017年EUV設備研發(fā)宣告失敗為前提的產業(yè)發(fā)展狀態(tài)，依各大半導體制造廠商所宣布的研發(fā)藍圖來看，屆時將進入10奈米或甚至是更先進的7奈米制程，其制程難度將會是以指數關系成長，黃光微影制程須使用多重曝光技術(預測為四次曝光(Quadruple-patterning))，制程設備的資本支出將會因此大增約60%。
圖4 2017年EUV研發(fā)失敗的半導體資本支出預測資料來源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
與此同時，半導體制造大廠相繼亦宣稱將在2018年建立第一座18寸晶圓量產工廠，切入制程節(jié)點預測將是10或7奈米制程，因此EUV發(fā)展成功與否不僅攸關摩爾定律是否能繼續(xù)推進，亦牽連18寸晶圓廠的建立，正可謂「牽一發(fā)、動全身」，重要性不言可喻。也因此，國際各大半導體制造廠商愿意投入數10億歐元予半導體微影設備大廠艾司摩爾(ASML)，且對于EUV未來發(fā)展皆抱著勢必要成功的決心。
半導體廠全力襄助EUV可望2017年導入商用
圖5為全球晶圓制造廠設備支出趨勢與黃光微影設備的比重，預計未來整體半導體設備支出將逐年提高，其中黃光微影設備在整體資本支出的比重更將顯著攀升，預估在2017年將會達到總設備支出的32.1%，將高達約三分之一比重。
圖5 2007～2017年黃光微影設備支出占設備總支出比例資料來源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
然而，晶圓制造成本為半導體制程的發(fā)展中，供應鏈業(yè)者最重要的考量因素之一，當產品獲利不如預期，甚至是不敷制造成本，都將影響制造廠商的資源投入與生產意愿。其中，晶圓產出速度(Throughput)則為成本控制中最重要的參考指標之一，若可減少在無塵室內的循環(huán)周期(Cycle Time)，將有助減少生產成本，故在發(fā)展EUV時，為符合量產經濟效益，產出速度將會是關鍵。
現今所使用的浸潤式微影設備，每小時的晶圓產出速度約200wph(晶圓數量/1小時)；預估EUV生產速度須達到100wph，相當于光源能量為250瓦(W)的條件下，才有足夠的生產效益；但EUV目前主要所遭遇到最大的挑戰(zhàn)就是光源能量不足，且與250瓦尚有段不小的差距，導致曝光顯影設備的推出時程不斷地被延后，迫使國際各大半導體制造廠商也不得不將原先設定的目標向下調整，勉強接受將產出速度目標改為60wph(相當于光源能量為100瓦)。
截至2013上半年為止，EUV曝光光源能量約只有60瓦，晶圓產出速度仍約只有30?40wph；主要設備供應商ASML將于2013年底釋出原型機予客戶使用。國際各大半導體制造廠商如英特爾(Intel)、臺積電與三星(Samsung)等已投入大量研發(fā)資源于ASML，期待可加速EUV設備開發(fā)進度與自家先進制程產線布建腳步；在半導體大廠全力相挺下，預估具有量產價值的EUV微影設備(60wph)可望于2017年推出。
至于2018年18寸晶圓制造亦可望導入量產，屆時EUV將會同步應用于18寸晶圓的制造。從以上的論述看來，EUV設備的重要性已不可言喻，然而，未來EUV還會遇到什么問題與挑戰(zhàn)，依舊是個未知數。
圖6為微影設備各項分類設備需求的成本比例，前文有提到，2013年ASML可望推出原型機臺，光源為60瓦的ASML3300系統(tǒng)，晶圓產出速度約為30wph，故在2013年EUV設備投資比重將開始放大。從此預測資料來看，接著幾年預估EUV占比將逐年翻升，在半導體的演進藍圖上將扮演著舉足輕重的角色。 [!--empirenews.page--]
圖6 各種黃光微影設備的滲透率發(fā)展趨勢資料來源：Gartner，工研院IEK整理分析(2013/08)
避免EUV研發(fā)覆敗多重電子束成主要備案
雖然EUV對于半導體制程的演進與發(fā)展有相當大的影響力，但是屆時如果依舊無法達到量產需求，那替代方案是什么呢？目前呼聲最高的是無光罩(Maskless)的電子束(E-Beam)技術；E-Beam目前主要應用在光罩制作與部分檢測設備(如電子顯微鏡、SEM、Scanning Electron Microscope)。半導體相關研究機構一般會將E-Beam用于IC圖案制作，如國家奈米元件實驗室(NDL)正用于進行10奈米以下元件的研究。
從以上的論述來看，想必各位讀者也大概猜出E-Beam主要面臨的問題，雖然可以進行較先進制程的制作與研究，但目前只限于實驗室，產出速度并無經濟效益可言，單片晶圓制作是以小時為單位，無法順利投入量產。
這與目前E-Beam的半導體晶圓缺陷檢測設備遇到相同的設計問題，但目前設備廠商已著手在進行改善產出速度的問題，例如利用多重電子束(Multi E-Beam)來提高晶圓產出速度等方法。
現階段，全球僅有幾間主要的E-Beam相關設備供應商，包括Mapper、美商科磊(KLA-Tencor)和Vistec等半導體設備制造廠，其中Mapper主要與臺積電合作，已放置一臺原型機于臺積電無塵室內，預計2013年將置入第二臺原型機繼續(xù)共同合作研發(fā)。
在KLA-Tencor方面，預計2015年將推出Multi E-Beam的設備以提高晶圓產出速度。
事實上，一般業(yè)界預估，E-Beam微影方案的切入節(jié)點亦將是10或7奈米，在時程上與EUV相當；但是，E-Beam還有一個較大的問題是，目前全球半導體業(yè)者的眼光與資源大多投入EUV研發(fā)，在IC制造廠商方面，只有臺積電對E-Beam研究表現的較為積極。
根據市場研究調查機構顧能(Gartner)預估，E-Beam要達到產出速度為100wph所需經費仍需6,000?7,000萬美元，其他在材料研發(fā)方面也須投注大量資源。一般而言，E-Beam實為EUV的備案，除非EUV在研發(fā)上真的遭遇到重大問題，否則預估導入E-Beam的時程應該會往后延至5奈米制程節(jié)點上。
都為產出速度所苦EUV/E-Beam研發(fā)不停歇
無庸置疑，EUV已被半導體產業(yè)公認為下一世代黃光微影設備主流，主要可降低因多重曝光所增加的生產成本，對半導體制造商有不得失敗的壓力，但目前最主要的挑戰(zhàn)則是在曝光光源能量的不足，原先設定250瓦(產出速度為100wph)才可符合降低生產成本的經濟效益；也由于EUV的光源技術一直難以突破，廠商已有默契將目標降低為100瓦(60wph)，當前設備研發(fā)進度則達到60瓦(30?40wph)規(guī)格，預計ASML將于2013年底推出原型機予各大客戶。
近期ASML已從三大主要客戶方面募得資金并加緊投入EUV研發(fā)，臺積電即為其中一員，這樣的合作關系在過去半導體產業(yè)發(fā)展的歷史上是前所未見的事情，顯示出EUV技術的影響性足以撼動未來的半導體產業(yè)發(fā)展。
至于EUV的替代方案方面，則以E-Beam呼聲最高，但同樣遭遇到產出速度的問題，且目前投入研發(fā)的資源尚嫌不足，半導體制造廠商只有臺積電與Mapper共同研發(fā)，其他制造廠商依舊保持觀望的態(tài)度。
借重半導體制造優(yōu)勢臺灣將成EUV設備發(fā)展要沖
臺灣雖然在黃光微影設備的研發(fā)方面，可著墨之處不多，但臺灣是全球半導體制造重鎮(zhèn)，應利用其特殊的產業(yè)型態(tài)與聚落，吸引國際各大設備、材料廠商于臺灣投資，并設立研發(fā)中心，將可帶動國內各相關產業(yè)鏈的發(fā)展，對國內產業(yè)與競爭力的提升，將會有很大的幫助。
(本文作者為工研院IEK系統(tǒng)IC與制程研究部研究員)
圖1 雙重曝光制造流程示意圖
過去僅用193奈米波長的浸潤式曝光技術即可符合制程需求，毋須采用雙重曝光方案，因此微影制程步驟較簡單，可較快進入蝕刻(Etching)階段隨即可獲得晶圓所需的圖案(Pattern)。
大減多重曝光成本EUV技術成眾望所歸
一旦為彌補193浸潤式曝光技術不足而使用雙重曝光，甚至是三次以上的多重曝光(Multiple Patterning)制程方案時，整體晶圓制程步驟與難度將會大幅增加，間接使晶圓廠的生產成本大增，以致于無法符合生產經濟效益，故發(fā)展新一代微影制程技術系當前半導體供應鏈最重要的課題。
目前在眾多新技術選項中，極紫外光(Extreme Ultra Violet, EUV)微影是目前最受業(yè)界青睞的方案，其設備架構如圖2所示，現遭遇最主要的挑戰(zhàn)是光源能量不足；在微影制程中，為達到較小波長的曝光光源，必須經過更多鏡片反射，能量衰減的速度必定較以往曝光設備來得快，因此要在晶圓表面上接收到與過去制程相同能量，設備商就須提高光源能量。
圖2 EUV架構示意圖
盡管EUV尚有技術挑戰(zhàn)待克服，但如前文所述，先進制程若使用多重曝光技術，將使制程步驟大幅增加，對晶圓廠而言，目前工廠里的制造流程已是最佳化制程，一旦增加一道制造步驟，將牽動晶圓循環(huán)周期與生產設備數量的增加，制造與設備攤提成本也必定隨之上升，如圖3為使用EUV與雙重曝光技術所需設備數量與占用無塵室空間的比較。
圖3 雙重曝光技術與EUV所需的制程設備和占用空間比較資料來源：ASML
如今在32/28奈米制程，已必須采用雙重曝光技術，未來隨著1x奈米先進制程導入，關鍵的閘極等制程難度提高，浸潤式雙重曝光技術將難以達到先進制程線寬的需求，因而須借重多重曝光技術，新增的步驟將使生產成本急遽上升，并連帶造成蝕刻、沉積與清洗設備的需求大增，在資本支出的部分將相當驚人，一旦生產成本不符合經濟效益，半導體制造廠商開發(fā)先進制程的意愿將會被打上一個大問號。
EUV相對于多重曝光技術，約可省下60%設備采購成本，綜合以上觀點來看，EUV的研發(fā)進度，對于半導體發(fā)展與演進，各界會如此的投以相當關注的眼神，就一點也不驚訝。
圖4所示系假設2017年EUV設備研發(fā)宣告失敗為前提的產業(yè)發(fā)展狀態(tài)，依各大半導體制造廠商所宣布的研發(fā)藍圖來看，屆時將進入10奈米或甚至是更先進的7奈米制程，其制程難度將會是以指數關系成長，黃光微影制程須使用多重曝光技術(預測為四次曝光(Quadruple-patterning))，制程設備的資本支出將會因此大增約60%。
圖4 2017年EUV研發(fā)失敗的半導體資本支出預測資料來源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
與此同時，半導體制造大廠相繼亦宣稱將在2018年建立第一座18寸晶圓量產工廠，切入制程節(jié)點預測將是10或7奈米制程，因此EUV發(fā)展成功與否不僅攸關摩爾定律是否能繼續(xù)推進，亦牽連18寸晶圓廠的建立，正可謂「牽一發(fā)、動全身」，重要性不言可喻。也因此，國際各大半導體制造廠商愿意投入數10億歐元予半導體微影設備大廠艾司摩爾(ASML)，且對于EUV未來發(fā)展皆抱著勢必要成功的決心。
半導體廠全力襄助EUV可望2017年導入商用
圖5為全球晶圓制造廠設備支出趨勢與黃光微影設備的比重，預計未來整體半導體設備支出將逐年提高，其中黃光微影設備在整體資本支出的比重更將顯著攀升，預估在2017年將會達到總設備支出的32.1%，將高達約三分之一比重。
圖5 2007～2017年黃光微影設備支出占設備總支出比例資料來源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
然而，晶圓制造成本為半導體制程的發(fā)展中，供應鏈業(yè)者最重要的考量因素之一，當產品獲利不如預期，甚至是不敷制造成本，都將影響制造廠商的資源投入與生產意愿。其中，晶圓產出速度(Throughput)則為成本控制中最重要的參考指標之一，若可減少在無塵室內的循環(huán)周期(Cycle Time)，將有助減少生產成本，故在發(fā)展EUV時，為符合量產經濟效益，產出速度將會是關鍵。
現今所使用的浸潤式微影設備，每小時的晶圓產出速度約200wph(晶圓數量/1小時)；預估EUV生產速度須達到100wph，相當于光源能量為250瓦(W)的條件下，才有足夠的生產效益；但EUV目前主要所遭遇到最大的挑戰(zhàn)就是光源能量不足，且與250瓦尚有段不小的差距，導致曝光顯影設備的推出時程不斷地被延后，迫使國際各大半導體制造廠商也不得不將原先設定的目標向下調整，勉強接受將產出速度目標改為60wph(相當于光源能量為100瓦)。
截至2013上半年為止，EUV曝光光源能量約只有60瓦，晶圓產出速度仍約只有30?40wph；主要設備供應商ASML將于2013年底釋出原型機予客戶使用。國際各大半導體制造廠商如英特爾(Intel)、臺積電與三星(Samsung)等已投入大量研發(fā)資源于ASML，期待可加速EUV設備開發(fā)進度與自家先進制程產線布建腳步；在半導體大廠全力相挺下，預估具有量產價值的EUV微影設備(60wph)可望于2017年推出。
至于2018年18寸晶圓制造亦可望導入量產，屆時EUV將會同步應用于18寸晶圓的制造。從以上的論述看來，EUV設備的重要性已不可言喻，然而，未來EUV還會遇到什么問題與挑戰(zhàn)，依舊是個未知數。
圖6為微影設備各項分類設備需求的成本比例，前文有提到，2013年ASML可望推出原型機臺，光源為60瓦的ASML3300系統(tǒng)，晶圓產出速度約為30wph，故在2013年EUV設備投資比重將開始放大。從此預測資料來看，接著幾年預估EUV占比將逐年翻升，在半導體的演進藍圖上將扮演著舉足輕重的角色。 [!--empirenews.page--]
圖6 各種黃光微影設備的滲透率發(fā)展趨勢資料來源：Gartner，工研院IEK整理分析(2013/08)
避免EUV研發(fā)覆敗多重電子束成主要備案
雖然EUV對于半導體制程的演進與發(fā)展有相當大的影響力，但是屆時如果依舊無法達到量產需求，那替代方案是什么呢？目前呼聲最高的是無光罩(Maskless)的電子束(E-Beam)技術；E-Beam目前主要應用在光罩制作與部分檢測設備(如電子顯微鏡、SEM、Scanning Electron Microscope)。半導體相關研究機構一般會將E-Beam用于IC圖案制作，如國家奈米元件實驗室(NDL)正用于進行10奈米以下元件的研究。
從以上的論述來看，想必各位讀者也大概猜出E-Beam主要面臨的問題，雖然可以進行較先進制程的制作與研究，但目前只限于實驗室，產出速度并無經濟效益可言，單片晶圓制作是以小時為單位，無法順利投入量產。
這與目前E-Beam的半導體晶圓缺陷檢測設備遇到相同的設計問題，但目前設備廠商已著手在進行改善產出速度的問題，例如利用多重電子束(Multi E-Beam)來提高晶圓產出速度等方法。
現階段，全球僅有幾間主要的E-Beam相關設備供應商，包括Mapper、美商科磊(KLA-Tencor)和Vistec等半導體設備制造廠，其中Mapper主要與臺積電合作，已放置一臺原型機于臺積電無塵室內，預計2013年將置入第二臺原型機繼續(xù)共同合作研發(fā)。
在KLA-Tencor方面，預計2015年將推出Multi E-Beam的設備以提高晶圓產出速度。
事實上，一般業(yè)界預估，E-Beam微影方案的切入節(jié)點亦將是10或7奈米，在時程上與EUV相當；但是，E-Beam還有一個較大的問題是，目前全球半導體業(yè)者的眼光與資源大多投入EUV研發(fā)，在IC制造廠商方面，只有臺積電對E-Beam研究表現的較為積極。
根據市場研究調查機構顧能(Gartner)預估，E-Beam要達到產出速度為100wph所需經費仍需6,000?7,000萬美元，其他在材料研發(fā)方面也須投注大量資源。一般而言，E-Beam實為EUV的備案，除非EUV在研發(fā)上真的遭遇到重大問題，否則預估導入E-Beam的時程應該會往后延至5奈米制程節(jié)點上。
都為產出速度所苦EUV/E-Beam研發(fā)不停歇
無庸置疑，EUV已被半導體產業(yè)公認為下一世代黃光微影設備主流，主要可降低因多重曝光所增加的生產成本，對半導體制造商有不得失敗的壓力，但目前最主要的挑戰(zhàn)則是在曝光光源能量的不足，原先設定250瓦(產出速度為100wph)才可符合降低生產成本的經濟效益；也由于EUV的光源技術一直難以突破，廠商已有默契將目標降低為100瓦(60wph)，當前設備研發(fā)進度則達到60瓦(30?40wph)規(guī)格，預計ASML將于2013年底推出原型機予各大客戶。
近期ASML已從三大主要客戶方面募得資金并加緊投入EUV研發(fā)，臺積電即為其中一員，這樣的合作關系在過去半導體產業(yè)發(fā)展的歷史上是前所未見的事情，顯示出EUV技術的影響性足以撼動未來的半導體產業(yè)發(fā)展。
至于EUV的替代方案方面，則以E-Beam呼聲最高，但同樣遭遇到產出速度的問題，且目前投入研發(fā)的資源尚嫌不足，半導體制造廠商只有臺積電與Mapper共同研發(fā)，其他制造廠商依舊保持觀望的態(tài)度。
借重半導體制造優(yōu)勢臺灣將成EUV設備發(fā)展要沖
臺灣雖然在黃光微影設備的研發(fā)方面，可著墨之處不多，但臺灣是全球半導體制造重鎮(zhèn)，應利用其特殊的產業(yè)型態(tài)與聚落，吸引國際各大設備、材料廠商于臺灣投資，并設立研發(fā)中心，將可帶動國內各相關產業(yè)鏈的發(fā)展，對國內產業(yè)與競爭力的提升，將會有很大的幫助。
(本文作者為工研院IEK系統(tǒng)IC與制程研究部研究員)
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