延续半导体量产经济效益 EUV成10奈米制程发展关键
时间：2013-10-07 06:41:00
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[导读]半导体的发展随着摩尔定律(Moore’s Law)演进，虽然是关关难过但还是关关过，其中在制程技术上，主要瓶颈在微影制程的要求不断提高，目前主流曝光技术是采用波长193奈米(nm)的浸润式曝光(Immersion)技术；然而，进入
半导体的发展随着摩尔定律(Moore’s Law)演进，虽然是关关难过但还是关关过，其中在制程技术上，主要瓶颈在微影制程的要求不断提高，目前主流曝光技术是采用波长193奈米(nm)的浸润式曝光(Immersion)技术；然而，进入32/28奈米以下制程节点，现有单次曝光制程已无法满足先进制程闸极线宽制作需求，须导入与以往不同且更繁复的双重曝光(Double-Patterning)技术，制造流程如图1所示。
图1 双重曝光制造流程示意图
过去仅用193奈米波长的浸润式曝光技术即可符合制程需求，毋须采用双重曝光方案，因此微影制程步骤较简单，可较快进入蚀刻(Etching)阶段随即可获得晶圆所需的图案(Pattern)。
大减多重曝光成本EUV技术成众望所归
一旦为弥补193浸润式曝光技术不足而使用双重曝光，甚至是三次以上的多重曝光(Multiple Patterning)制程方案时，整体晶圆制程步骤与难度将会大幅增加，间接使晶圆厂的生产成本大增，以致于无法符合生产经济效益，故发展新一代微影制程技术系当前半导体供应链最重要的课题。
目前在众多新技术选项中，极紫外光(Extreme Ultra Violet, EUV)微影是目前最受业界青睐的方案，其设备架构如图2所示，现遭遇最主要的挑战是光源能量不足；在微影制程中，为达到较小波长的曝光光源，必须经过更多镜片反射，能量衰减的速度必定较以往曝光设备来得快，因此要在晶圆表面上接收到与过去制程相同能量，设备商就须提高光源能量。
图2 EUV架构示意图
尽管EUV尚有技术挑战待克服，但如前文所述，先进制程若使用多重曝光技术，将使制程步骤大幅增加，对晶圆厂而言，目前工厂里的制造流程已是最佳化制程，一旦增加一道制造步骤，将牵动晶圆循环周期与生产设备数量的增加，制造与设备摊提成本也必定随之上升，如图3为使用EUV与双重曝光技术所需设备数量与占用无尘室空间的比较。
图3 双重曝光技术与EUV所需的制程设备和占用空间比较资料来源：ASML
如今在32/28奈米制程，已必须采用双重曝光技术，未来随着1x奈米先进制程导入，关键的闸极等制程难度提高，浸润式双重曝光技术将难以达到先进制程线宽的需求，因而须借重多重曝光技术，新增的步骤将使生产成本急遽上升，并连带造成蚀刻、沉积与清洗设备的需求大增，在资本支出的部分将相当惊人，一旦生产成本不符合经济效益，半导体制造厂商开发先进制程的意愿将会被打上一个大问号。
EUV相对于多重曝光技术，约可省下60%设备采购成本，综合以上观点来看，EUV的研发进度，对于半导体发展与演进，各界会如此的投以相当关注的眼神，就一点也不惊讶。
图4所示系假设2017年EUV设备研发宣告失败为前提的产业发展状态，依各大半导体制造厂商所宣布的研发蓝图来看，届时将进入10奈米或甚至是更先进的7奈米制程，其制程难度将会是以指数关系成长，黄光微影制程须使用多重曝光技术(预测为四次曝光(Quadruple-patterning))，制程设备的资本支出将会因此大增约60%。
图4 2017年EUV研发失败的半导体资本支出预测资料来源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
与此同时，半导体制造大厂相继亦宣称将在2018年建立第一座18寸晶圆量产工厂，切入制程节点预测将是10或7奈米制程，因此EUV发展成功与否不仅攸关摩尔定律是否能继续推进，亦牵连18寸晶圆厂的建立，正可谓「牵一发、动全身」，重要性不言可喻。也因此，国际各大半导体制造厂商愿意投入数10亿欧元予半导体微影设备大厂艾司摩尔(ASML)，且对于EUV未来发展皆抱着势必要成功的决心。
半导体厂全力襄助EUV可望2017年导入商用
图5为全球晶圆制造厂设备支出趋势与黄光微影设备的比重，预计未来整体半导体设备支出将逐年提高，其中黄光微影设备在整体资本支出的比重更将显著攀升，预估在2017年将会达到总设备支出的32.1%，将高达约三分之一比重。
图5 2007～2017年黄光微影设备支出占设备总支出比例资料来源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
然而，晶圆制造成本为半导体制程的发展中，供应链业者最重要的考量因素之一，当产品获利不如预期，甚至是不敷制造成本，都将影响制造厂商的资源投入与生产意愿。其中，晶圆产出速度(Throughput)则为成本控制中最重要的参考指标之一，若可减少在无尘室内的循环周期(Cycle Time)，将有助减少生产成本，故在发展EUV时，为符合量产经济效益，产出速度将会是关键。
现今所使用的浸润式微影设备，每小时的晶圆产出速度约200wph(晶圆数量/1小时)；预估EUV生产速度须达到100wph，相当于光源能量为250瓦(W)的条件下，才有足够的生产效益；但EUV目前主要所遭遇到最大的挑战就是光源能量不足，且与250瓦尚有段不小的差距，导致曝光显影设备的推出时程不断地被延后，迫使国际各大半导体制造厂商也不得不将原先设定的目标向下调整，勉强接受将产出速度目标改为60wph(相当于光源能量为100瓦)。
截至2013上半年为止，EUV曝光光源能量约只有60瓦，晶圆产出速度仍约只有30?40wph；主要设备供应商ASML将于2013年底释出原型机予客户使用。国际各大半导体制造厂商如英特尔(Intel)、台积电与三星(Samsung)等已投入大量研发资源于ASML，期待可加速EUV设备开发进度与自家先进制程产线布建脚步；在半导体大厂全力相挺下，预估具有量产价值的EUV微影设备(60wph)可望于2017年推出。
至于2018年18寸晶圆制造亦可望导入量产，届时EUV将会同步应用于18寸晶圆的制造。从以上的论述看来，EUV设备的重要性已不可言喻，然而，未来EUV还会遇到什么问题与挑战，依旧是个未知数。
图6为微影设备各项分类设备需求的成本比例，前文有提到，2013年ASML可望推出原型机台，光源为60瓦的ASML3300系统，晶圆产出速度约为30wph，故在2013年EUV设备投资比重将开始放大。从此预测资料来看，接着几年预估EUV占比将逐年翻升，在半导体的演进蓝图上将扮演着举足轻重的角色。 [!--empirenews.page--]
图6 各种黄光微影设备的渗透率发展趋势资料来源：Gartner，工研院IEK整理分析(2013/08)
避免EUV研发覆败多重电子束成主要备案
虽然EUV对于半导体制程的演进与发展有相当大的影响力，但是届时如果依旧无法达到量产需求，那替代方案是什么呢？目前呼声最高的是无光罩(Maskless)的电子束(E-Beam)技术；E-Beam目前主要应用在光罩制作与部分检测设备(如电子显微镜、SEM、Scanning Electron Microscope)。半导体相关研究机构一般会将E-Beam用于IC图案制作，如国家奈米元件实验室(NDL)正用于进行10奈米以下元件的研究。
从以上的论述来看，想必各位读者也大概猜出E-Beam主要面临的问题，虽然可以进行较先进制程的制作与研究，但目前只限于实验室，产出速度并无经济效益可言，单片晶圆制作是以小时为单位，无法顺利投入量产。
这与目前E-Beam的半导体晶圆缺陷检测设备遇到相同的设计问题，但目前设备厂商已着手在进行改善产出速度的问题，例如利用多重电子束(Multi E-Beam)来提高晶圆产出速度等方法。
现阶段，全球仅有几间主要的E-Beam相关设备供应商，包括Mapper、美商科磊(KLA-Tencor)和Vistec等半导体设备制造厂，其中Mapper主要与台积电合作，已放置一台原型机于台积电无尘室内，预计2013年将置入第二台原型机继续共同合作研发。
在KLA-Tencor方面，预计2015年将推出Multi E-Beam的设备以提高晶圆产出速度。
事实上，一般业界预估，E-Beam微影方案的切入节点亦将是10或7奈米，在时程上与EUV相当；但是，E-Beam还有一个较大的问题是，目前全球半导体业者的眼光与资源大多投入EUV研发，在IC制造厂商方面，只有台积电对E-Beam研究表现的较为积极。
根据市场研究调查机构顾能(Gartner)预估，E-Beam要达到产出速度为100wph所需经费仍需6,000?7,000万美元，其他在材料研发方面也须投注大量资源。一般而言，E-Beam实为EUV的备案，除非EUV在研发上真的遭遇到重大问题，否则预估导入E-Beam的时程应该会往后延至5奈米制程节点上。
都为产出速度所苦EUV/E-Beam研发不停歇
无庸置疑，EUV已被半导体产业公认为下一世代黄光微影设备主流，主要可降低因多重曝光所增加的生产成本，对半导体制造商有不得失败的压力，但目前最主要的挑战则是在曝光光源能量的不足，原先设定250瓦(产出速度为100wph)才可符合降低生产成本的经济效益；也由于EUV的光源技术一直难以突破，厂商已有默契将目标降低为100瓦(60wph)，当前设备研发进度则达到60瓦(30?40wph)规格，预计ASML将于2013年底推出原型机予各大客户。
近期ASML已从三大主要客户方面募得资金并加紧投入EUV研发，台积电即为其中一员，这样的合作关系在过去半导体产业发展的历史上是前所未见的事情，显示出EUV技术的影响性足以撼动未来的半导体产业发展。
至于EUV的替代方案方面，则以E-Beam呼声最高，但同样遭遇到产出速度的问题，且目前投入研发的资源尚嫌不足，半导体制造厂商只有台积电与Mapper共同研发，其他制造厂商依旧保持观望的态度。
借重半导体制造优势台湾将成EUV设备发展要冲
台湾虽然在黄光微影设备的研发方面，可着墨之处不多，但台湾是全球半导体制造重镇，应利用其特殊的产业型态与聚落，吸引国际各大设备、材料厂商于台湾投资，并设立研发中心，将可带动国内各相关产业链的发展，对国内产业与竞争力的提升，将会有很大的帮助。
(本文作者为工研院IEK系统IC与制程研究部研究员)
图1 双重曝光制造流程示意图
过去仅用193奈米波长的浸润式曝光技术即可符合制程需求，毋须采用双重曝光方案，因此微影制程步骤较简单，可较快进入蚀刻(Etching)阶段随即可获得晶圆所需的图案(Pattern)。
大减多重曝光成本EUV技术成众望所归
一旦为弥补193浸润式曝光技术不足而使用双重曝光，甚至是三次以上的多重曝光(Multiple Patterning)制程方案时，整体晶圆制程步骤与难度将会大幅增加，间接使晶圆厂的生产成本大增，以致于无法符合生产经济效益，故发展新一代微影制程技术系当前半导体供应链最重要的课题。
目前在众多新技术选项中，极紫外光(Extreme Ultra Violet, EUV)微影是目前最受业界青睐的方案，其设备架构如图2所示，现遭遇最主要的挑战是光源能量不足；在微影制程中，为达到较小波长的曝光光源，必须经过更多镜片反射，能量衰减的速度必定较以往曝光设备来得快，因此要在晶圆表面上接收到与过去制程相同能量，设备商就须提高光源能量。
图2 EUV架构示意图
尽管EUV尚有技术挑战待克服，但如前文所述，先进制程若使用多重曝光技术，将使制程步骤大幅增加，对晶圆厂而言，目前工厂里的制造流程已是最佳化制程，一旦增加一道制造步骤，将牵动晶圆循环周期与生产设备数量的增加，制造与设备摊提成本也必定随之上升，如图3为使用EUV与双重曝光技术所需设备数量与占用无尘室空间的比较。
图3 双重曝光技术与EUV所需的制程设备和占用空间比较资料来源：ASML
如今在32/28奈米制程，已必须采用双重曝光技术，未来随着1x奈米先进制程导入，关键的闸极等制程难度提高，浸润式双重曝光技术将难以达到先进制程线宽的需求，因而须借重多重曝光技术，新增的步骤将使生产成本急遽上升，并连带造成蚀刻、沉积与清洗设备的需求大增，在资本支出的部分将相当惊人，一旦生产成本不符合经济效益，半导体制造厂商开发先进制程的意愿将会被打上一个大问号。
EUV相对于多重曝光技术，约可省下60%设备采购成本，综合以上观点来看，EUV的研发进度，对于半导体发展与演进，各界会如此的投以相当关注的眼神，就一点也不惊讶。
图4所示系假设2017年EUV设备研发宣告失败为前提的产业发展状态，依各大半导体制造厂商所宣布的研发蓝图来看，届时将进入10奈米或甚至是更先进的7奈米制程，其制程难度将会是以指数关系成长，黄光微影制程须使用多重曝光技术(预测为四次曝光(Quadruple-patterning))，制程设备的资本支出将会因此大增约60%。
图4 2017年EUV研发失败的半导体资本支出预测资料来源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
与此同时，半导体制造大厂相继亦宣称将在2018年建立第一座18寸晶圆量产工厂，切入制程节点预测将是10或7奈米制程，因此EUV发展成功与否不仅攸关摩尔定律是否能继续推进，亦牵连18寸晶圆厂的建立，正可谓「牵一发、动全身」，重要性不言可喻。也因此，国际各大半导体制造厂商愿意投入数10亿欧元予半导体微影设备大厂艾司摩尔(ASML)，且对于EUV未来发展皆抱着势必要成功的决心。
半导体厂全力襄助EUV可望2017年导入商用
图5为全球晶圆制造厂设备支出趋势与黄光微影设备的比重，预计未来整体半导体设备支出将逐年提高，其中黄光微影设备在整体资本支出的比重更将显著攀升，预估在2017年将会达到总设备支出的32.1%，将高达约三分之一比重。
图5 2007～2017年黄光微影设备支出占设备总支出比例资料来源：Gartner，工研院IEK整理分析(08/2013)
然而，晶圆制造成本为半导体制程的发展中，供应链业者最重要的考量因素之一，当产品获利不如预期，甚至是不敷制造成本，都将影响制造厂商的资源投入与生产意愿。其中，晶圆产出速度(Throughput)则为成本控制中最重要的参考指标之一，若可减少在无尘室内的循环周期(Cycle Time)，将有助减少生产成本，故在发展EUV时，为符合量产经济效益，产出速度将会是关键。
现今所使用的浸润式微影设备，每小时的晶圆产出速度约200wph(晶圆数量/1小时)；预估EUV生产速度须达到100wph，相当于光源能量为250瓦(W)的条件下，才有足够的生产效益；但EUV目前主要所遭遇到最大的挑战就是光源能量不足，且与250瓦尚有段不小的差距，导致曝光显影设备的推出时程不断地被延后，迫使国际各大半导体制造厂商也不得不将原先设定的目标向下调整，勉强接受将产出速度目标改为60wph(相当于光源能量为100瓦)。
截至2013上半年为止，EUV曝光光源能量约只有60瓦，晶圆产出速度仍约只有30?40wph；主要设备供应商ASML将于2013年底释出原型机予客户使用。国际各大半导体制造厂商如英特尔(Intel)、台积电与三星(Samsung)等已投入大量研发资源于ASML，期待可加速EUV设备开发进度与自家先进制程产线布建脚步；在半导体大厂全力相挺下，预估具有量产价值的EUV微影设备(60wph)可望于2017年推出。
至于2018年18寸晶圆制造亦可望导入量产，届时EUV将会同步应用于18寸晶圆的制造。从以上的论述看来，EUV设备的重要性已不可言喻，然而，未来EUV还会遇到什么问题与挑战，依旧是个未知数。
图6为微影设备各项分类设备需求的成本比例，前文有提到，2013年ASML可望推出原型机台，光源为60瓦的ASML3300系统，晶圆产出速度约为30wph，故在2013年EUV设备投资比重将开始放大。从此预测资料来看，接着几年预估EUV占比将逐年翻升，在半导体的演进蓝图上将扮演着举足轻重的角色。 [!--empirenews.page--]
图6 各种黄光微影设备的渗透率发展趋势资料来源：Gartner，工研院IEK整理分析(2013/08)
避免EUV研发覆败多重电子束成主要备案
虽然EUV对于半导体制程的演进与发展有相当大的影响力，但是届时如果依旧无法达到量产需求，那替代方案是什么呢？目前呼声最高的是无光罩(Maskless)的电子束(E-Beam)技术；E-Beam目前主要应用在光罩制作与部分检测设备(如电子显微镜、SEM、Scanning Electron Microscope)。半导体相关研究机构一般会将E-Beam用于IC图案制作，如国家奈米元件实验室(NDL)正用于进行10奈米以下元件的研究。
从以上的论述来看，想必各位读者也大概猜出E-Beam主要面临的问题，虽然可以进行较先进制程的制作与研究，但目前只限于实验室，产出速度并无经济效益可言，单片晶圆制作是以小时为单位，无法顺利投入量产。
这与目前E-Beam的半导体晶圆缺陷检测设备遇到相同的设计问题，但目前设备厂商已着手在进行改善产出速度的问题，例如利用多重电子束(Multi E-Beam)来提高晶圆产出速度等方法。
现阶段，全球仅有几间主要的E-Beam相关设备供应商，包括Mapper、美商科磊(KLA-Tencor)和Vistec等半导体设备制造厂，其中Mapper主要与台积电合作，已放置一台原型机于台积电无尘室内，预计2013年将置入第二台原型机继续共同合作研发。
在KLA-Tencor方面，预计2015年将推出Multi E-Beam的设备以提高晶圆产出速度。
事实上，一般业界预估，E-Beam微影方案的切入节点亦将是10或7奈米，在时程上与EUV相当；但是，E-Beam还有一个较大的问题是，目前全球半导体业者的眼光与资源大多投入EUV研发，在IC制造厂商方面，只有台积电对E-Beam研究表现的较为积极。
根据市场研究调查机构顾能(Gartner)预估，E-Beam要达到产出速度为100wph所需经费仍需6,000?7,000万美元，其他在材料研发方面也须投注大量资源。一般而言，E-Beam实为EUV的备案，除非EUV在研发上真的遭遇到重大问题，否则预估导入E-Beam的时程应该会往后延至5奈米制程节点上。
都为产出速度所苦EUV/E-Beam研发不停歇
无庸置疑，EUV已被半导体产业公认为下一世代黄光微影设备主流，主要可降低因多重曝光所增加的生产成本，对半导体制造商有不得失败的压力，但目前最主要的挑战则是在曝光光源能量的不足，原先设定250瓦(产出速度为100wph)才可符合降低生产成本的经济效益；也由于EUV的光源技术一直难以突破，厂商已有默契将目标降低为100瓦(60wph)，当前设备研发进度则达到60瓦(30?40wph)规格，预计ASML将于2013年底推出原型机予各大客户。
近期ASML已从三大主要客户方面募得资金并加紧投入EUV研发，台积电即为其中一员，这样的合作关系在过去半导体产业发展的历史上是前所未见的事情，显示出EUV技术的影响性足以撼动未来的半导体产业发展。
至于EUV的替代方案方面，则以E-Beam呼声最高，但同样遭遇到产出速度的问题，且目前投入研发的资源尚嫌不足，半导体制造厂商只有台积电与Mapper共同研发，其他制造厂商依旧保持观望的态度。
借重半导体制造优势台湾将成EUV设备发展要冲
台湾虽然在黄光微影设备的研发方面，可着墨之处不多，但台湾是全球半导体制造重镇，应利用其特殊的产业型态与聚落，吸引国际各大设备、材料厂商于台湾投资，并设立研发中心，将可带动国内各相关产业链的发展，对国内产业与竞争力的提升，将会有很大的帮助。
(本文作者为工研院IEK系统IC与制程研究部研究员)
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