IC業(yè)發(fā)展模式孕育新一輪變革 面臨三大難題

　　半導體業(yè)已經(jīng)邁入14nm制程，2014年開始量產(chǎn)。如果從工藝制程節(jié)點來說，傳統(tǒng)的光學光刻193nm浸液式采用兩次或者四次圖形曝光(DP)技術(shù)可能達到10nm，這意味著如果EUV技術(shù)再次推遲應用，到2015年制程將暫時在10nm徘徊。除非等到EUV技術(shù)成熟，制程才能再繼續(xù)縮小下去。依目前的態(tài)勢，即便EUV成功也頂多還有兩個臺階可上，即7nm或者5nm。因為按理論測算，在5nm時可能器件已達到物理極限。

　　工藝尺寸縮小僅是手段之一，不是最終目標。眾所周知，推動市場進步的是終端電子產(chǎn)品的市場需求，向著更小、更輕、更低成本、更易使用的方向邁進。IDC于今年發(fā)布的關(guān)于2020年時全球智能設(shè)備的預測數(shù)據(jù)顯示，一是互聯(lián)網(wǎng)使用人數(shù)將達40億，二是產(chǎn)業(yè)銷售額達4萬億美元，三是嵌入式終端裝置達250億臺，四是需要處理的數(shù)據(jù)量達50萬億GB，五是全球應用達到2500萬個。

　　近段時間以來，全球能夠繼續(xù)跟蹤先進制程的廠家數(shù)量越來越少，集中在幾家龍頭大廠，分別為做邏輯的英特爾，做存儲器的三星、SK海力士、東芝、閃迪以及做代工的TSMC、格羅方德等，業(yè)界盛傳的三足鼎立架構(gòu)已經(jīng)基本形成。它們發(fā)展的驅(qū)動力主要是為了保持龍頭地位，防止追隨者超過它們。所以在大多情況下，它們的持續(xù)投資與跟進是必需的，雖與工藝尺寸縮小的驅(qū)動力有關(guān)，但并不明顯。因為即便摩爾定律已到達終點，對于它們的影響都甚微。

　　另外，除了FinFET(3D)、UT SOI(超薄絕緣層上硅)等工藝之外，從產(chǎn)業(yè)鏈角度來說，在未來的10年間全球半導體業(yè)中尚有三大技術(shù)，可能推動產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)又一輪高增長，包括450mm硅片、EUV光刻及TSV的2.5D和3D封裝，它們都涉及整個產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作問題，非單個企業(yè)的能力能解決。

　　向450mm硅片過渡有波折

　　由于研發(fā)經(jīng)費不足，目前說450mm設(shè)備開發(fā)已經(jīng)具備條件是不客觀的，似乎各家廠商正在等待發(fā)令槍聲的到來。

　　450mm硅片的命運從開始就是坎坷的，與300mm硅片相比，業(yè)界的質(zhì)疑聲不斷，歸納起來有以下兩個方面：一是在“大者恒大”的局面下，還有多少客戶能下訂單?而開發(fā)450mm設(shè)備需要投資約200億美元，它的回報率在哪里?二是設(shè)備大廠缺乏積極性。

　　開發(fā)尚不具備條件

　　存儲器業(yè)自2007年由200mm向300mm硅片過渡，近期半導體設(shè)備業(yè)基本上除了200mm設(shè)備的翻新業(yè)務之外，幾乎已全是300mm設(shè)備的訂單。設(shè)備業(yè)經(jīng)過一次又一次的兼并重組，目前能幸存下來的都是各類別身經(jīng)百戰(zhàn)的佼佼者。近期它們的日子也不好過，面臨的形勢也十分嚴峻，如不加入到450mm行列，就等同于自動出列。因此，近兩年來自設(shè)備大廠的反對聲浪已經(jīng)幾乎消停，但是苦于研發(fā)經(jīng)費的不足，態(tài)度也不十分積極。

　　由于設(shè)備產(chǎn)業(yè)的特殊性，它們必須要走在技術(shù)的最前列，因此芯片制造業(yè)不得不依賴于此。根據(jù)300mm硅片設(shè)備開發(fā)的經(jīng)驗，450mm設(shè)備不是能簡單地把腔體放大就能解決問題的?？梢韵胍姡壳翱蛻舻挠唵螘性?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/14nm">14nm甚至10nm(根據(jù)它的導入時間推算)制程，采用FinFET或者UT SOI等工藝，所以許多設(shè)備要重新進行設(shè)計，至少硅片上的缺陷密度要減少兩個數(shù)量級。加上綠色產(chǎn)業(yè)的需要，無論是在設(shè)備的耗電量、耗水量、體積大小、重量等方面都要有大的改進。

　　所以目前關(guān)于450mm設(shè)備的進展除了EUV光刻機能吸引人們眼球之外，其他僅有測量設(shè)備等有些報道，也并不多見，相信各家廠商都在暗自發(fā)力。然而由于研發(fā)經(jīng)費的不足，目前說450mm設(shè)備開發(fā)已經(jīng)具備條件是不客觀的，似乎各家廠商正在等待發(fā)令槍聲的到來。

　　臺積電450mm計劃資深總監(jiān)游秋山博士于去年提及了公司內(nèi)部對于18英寸晶圓設(shè)備設(shè)定的目標，希望與12英寸設(shè)備相比，整體設(shè)備效率能于2018年提升1.1倍、2020年提升至1.8倍。此外，設(shè)備價格降低70%，尺寸縮小2/3，以及平均每片晶圓能維持與300mm設(shè)備相同的水電消耗量。

　　突破需共擔風險

　　450mm硅片的進程要看何時業(yè)界的第一條及第二條引導線(或者生產(chǎn)線)運行之后，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)預期的芯片成本下降目標。等到設(shè)備真要放量擴產(chǎn)時，設(shè)備制造商與芯片制造商之間可能會依EUV的發(fā)展模式再次聯(lián)合起來。

　　原因十分簡單，全球共有不到10家客戶，要迅速實現(xiàn)突破，在缺乏經(jīng)費的情形下，不下工夫是肯定不會成功的，所以一定要共擔風險。另外與300mm硅片設(shè)備相比較，進展也不可太快，萬一成本下降效果不是十分明顯的話，那些芯片制造商購買時就會很猶豫，導致最初的訂單數(shù)量不會太多。而設(shè)備是一定要經(jīng)過客戶的試用之后，累積經(jīng)驗才能發(fā)現(xiàn)問題、予以改進。兩者之間是魚水的關(guān)系，但是各有自己的經(jīng)濟利益考量。

　　因此，對于全球半導體業(yè)向450mm硅片過渡的前景還是客觀一些為好，事情可能會有波折，原因是半導體技術(shù)的先進性、復雜性要求已很高，而設(shè)備業(yè)準備并不很充分。

　　另據(jù)消息，英特爾近日確認，位于美國俄勒岡州的Fab 1DX二期工程已經(jīng)破土動工，這也是全球第一座將會用來生產(chǎn)450mm大尺寸晶圓的工廠。

　　EUV光刻“好日子”即將到來?

　　EUV光刻已引起半導體業(yè)界的特別重視，有希望在2015年或者2016年相當于在10nm制程時代導入。

　　EUV光刻技術(shù)相對來說還算是幸運的，由于光源功率一再推遲，影響了進程，促使英特爾、臺積電及三星紛紛解囊投資入股ASML，支持它的研發(fā)。

　　ASML于今年6月兼并了一家提供光源的公司Cymer，似乎已再無其他說辭，看來此次EUV光刻設(shè)備一定要成功。

　　解決光源功率和掩膜缺陷

　　EUV技術(shù)原本被寄希望于在65nm技術(shù)節(jié)點被采用，但是隨著浸液式光刻、雙重圖形等技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，它嶄露頭角的日子被不斷推遲。甚至有人質(zhì)疑是否真的需要EUV?時至今日，在14nm甚至10nm制程步步緊逼的時候，是不是意味著EUV的“好日子”即將到來?

　　目前EUV技術(shù)的現(xiàn)狀仍存在兩個大問題，即EUV光源功率不夠以及光刻掩膜的缺陷問題。

　　相對于目前的投影式光學系統(tǒng)而言，EUV掩膜板將采用反射技術(shù)，而非透射技術(shù)。要使EUV順利進入量產(chǎn)，無缺陷的掩膜是必不可少的，如何解決掩膜板表面多層抗反射膜的無缺陷問題成為關(guān)鍵。EUV掩膜板的制作一般是采用多層堆疊的Mo/Si薄膜，每一Mo層與Si層都必須足夠平滑，誤差容許范圍為一個原子大小。如果掩膜上存在大顆粒時，通常需要采用掩膜修正技術(shù)進行處理。另外，掩膜版還涉及儲存、運輸?shù)入y題。

　　最新的數(shù)據(jù)要求認為，最終EUV量產(chǎn)時缺陷密度的目標可放松到0.01defects/cm2即可。但如今的EUV掩膜缺陷仍高達1defect/cm2，相差兩個數(shù)量級，可見任務還非常艱巨。

　　EUV光刻反射式掩膜技術(shù)的難點在于掩膜白板(blank)的制備，包括缺陷數(shù)的控制以及無缺陷多層膜的制備。根據(jù)掩膜圖形成型方法的不同，其制備方法主要分為：離子束直接刻蝕法、離子注入法、Liftoff法、吸收層干刻法。吸收層干刻法不僅在工藝上切實可行，而且有利于缺陷的檢測和修補，是最為理想的掩膜制作方法。

　　另外，制作出無瑕疵的掩膜坯(mask blank)則是另外一個EUV光刻技術(shù)走向成熟需要解決的主要問題。有分析說，經(jīng)過多年研究，業(yè)內(nèi)制作光掩膜襯底的瑕疵水平已經(jīng)達到每片24個瑕疵，這樣的瑕疵控制水平對于存儲器的制造來說已經(jīng)可以滿足要求，但是仍無法滿足制作邏輯芯片的要求。

　　到2013年，6反射鏡設(shè)計的EUV光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA可從現(xiàn)有的0.25水平增加到0.32(通過增大鏡徑等手段)。如果再進一步發(fā)展下去，通過8反射鏡設(shè)計并采用中心遮攔技術(shù)的EUV光刻系統(tǒng)的NA值則可達到0.7左右。

　　比如在掩膜板技術(shù)方面，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的掩膜坯提供商Hoya公司一直都在研究超低熱脹率的掩膜坯材料，這種掩膜坯并不采用傳統(tǒng)的石英襯底材料制作。

　　另外，由于所用的照明光能量很容易被材料吸收，因此多年來人們一般認為EUV光刻適用的掩膜板很難通過加裝掩膜板的保護膜的方法來防止顆粒沾染。而目前已經(jīng)有研究人員在研制硅材質(zhì)的掩膜板保護膜方面取得了一些進展。對于目前條件下EUV光刻系統(tǒng)用的掩膜板而言，平均使用25次就會沾染上一個污染物顆粒，因此需要通過特殊的清潔處理來保證掩膜板的清潔，而這種清潔處理則不僅增加了成本，而且還會影響到掩膜板的質(zhì)量。

　　有望在10nm制程導入

　　EUV光刻機制造商ASML在2013年展覽會的演講中表示，其第二代NXE 3300B的EUV光刻機已經(jīng)出貨9臺給芯片制造商。在2014年時NXE 3300B中的光源功率可以達到50W，相當于43WPH水平。而100W光源可能要到2015年或者2016年實現(xiàn)，相當于73WPH水平。至于何時出現(xiàn)250W EUV光源目前無法預測，除非100W光源開發(fā)成功，并有出彩的表現(xiàn)。不太相信未來光刻機能達到500W光源，雖然寫進路線圖中是容易的，但是未來能否實現(xiàn)是個大問題。

　　只要實現(xiàn)73WPH，即可認為EUV已達到量產(chǎn)水平，因為與多次曝光技術(shù)相比，其成本已然下降。在10nm節(jié)點以下，如果繼續(xù)釆用DP技術(shù)，則需要4倍甚至8倍圖形成像技術(shù)。

　　EUV光刻已引起半導體業(yè)界的特別重視，目前在英特爾等大佬的支持下經(jīng)費也能保證，所以有希望在2015年或者2016年相當于在10nm制程時導入。但是EUV光刻原理與傳統(tǒng)的光學光刻工藝不同，所以一旦導入，將會引起半導體制造業(yè)的“騷動”，它的磨合過程需要多久，尚不便預測。但是相信由此新一輪尺寸縮小的序幕將拉開，可能推動半導體業(yè)再次高增長。

　　TSV封裝帶來新游戲規(guī)則

　　各種TSV裝技術(shù)的成功量產(chǎn)商用，將會帶來一種新的游戲規(guī)則，封裝革命已是一種最好的超越對手的方式。

　　近期半導體業(yè)發(fā)展中有兩大趨勢即SoC系統(tǒng)級芯片及SiP系統(tǒng)級封裝。按邏輯思維，SoC是通過IC設(shè)計方法把多個芯片功能集成在一起，因此對于IC設(shè)計、驗證及測試等都提出了新的挑戰(zhàn)，所以SoC比較適用于量大面廣的芯片，否則成本降不下來。SiP是利用封裝技術(shù)，實現(xiàn)多個芯片而且是異質(zhì)架構(gòu)產(chǎn)品的集成，由此SiP又可延伸為采用TSV的2.5D與3D封裝技術(shù)，十分類似于多層印制板電路產(chǎn)品。3D封裝的原理概念早已提出，然而涉及標準、產(chǎn)業(yè)分工等問題，產(chǎn)業(yè)化過程緩慢。如今業(yè)界對于3D封裝寄予厚望，認為將掀起半導體業(yè)中超越摩爾定律的又一次革命。

　　封裝技術(shù)掀起革命

　　所謂2.5D是將多顆主動IC并排放到被動的硅中介層上，因為硅中介層是被動硅片，中間沒有晶體管，不存在TSV應力以及散熱問題。通過多片F(xiàn)PGA的集成，容量可以做到很大，避開了新工藝大容量芯片的良率爬坡期，并因解決了多片F(xiàn)PGA的I/O互連問題而大幅降低了功耗。

　　3D是指把多層芯片采用微凸塊及硅通孔技術(shù)(TSV)堆疊在一起。微凸塊是一種新興技術(shù)，面臨非常多的挑戰(zhàn)。一是兩個硅片之間會有應力，舉例來說兩個芯片本身的膨脹系數(shù)有可能不一樣，中間連接的微凸塊受到的壓力就很大，一個膨脹快，一個膨脹慢，會產(chǎn)生很大的應力。二是在硅通孔時也會有應力存在，會影響周圍晶體管的性能。三是熱管理的挑戰(zhàn)，如果兩個都是主動IC，散熱就成為很大的問題。所以行業(yè)需要解決上述三個重要挑戰(zhàn)，才能實現(xiàn)真正的3D封裝。

　　一般在晶圓制造CMOS結(jié)構(gòu)或者FEOL步驟之前完成硅通孔，通常稱作Via first。因為TSV的制作在fab的前道工藝即金屬互聯(lián)層之前進行，此種方式在微處理器領(lǐng)域研究較多，可作為SoC的替代方案。

　　而將TSV放在封裝階段，通常稱之為Via last。這種方式的優(yōu)勢是可以不改變現(xiàn)在的IC制造流程和設(shè)計。采用Via last技術(shù)即在芯片的周邊進行通孔，然后進行芯片或者晶圓的多層堆疊。此種方式目前在存儲器封裝中盛行。

　　TSV通孔工藝需要幾何尺寸的測量，以及對于刻蝕間距和工藝可能帶來的各種缺陷檢測。通常TSV的孔徑在1~50微米，深度在10~150微米，縱寬比在3~5甚至更高。每個芯片上通孔大約在幾百乃至上千個。

　　目前能實現(xiàn)3D封裝的只是存儲器芯片，如東芝于2013年2月采用19nm空氣隔離技術(shù)生產(chǎn)出64GB與128GB的NAND閃存，并通過減薄至30微米，將16層芯片堆疊于一體，采用引線鍵合方法，作成容量達1024GB的薄型封裝。

　　三星也于2013年8月宣布開始量產(chǎn)128GB NAND 3D閃存。而意法半導體的MEMS也實現(xiàn)了3D封裝，因為它面臨的發(fā)熱等問題小一些。

　　面臨三大難題

　　如果我們無法解決價格問題，那么TSV的發(fā)展道路將更加漫長。目前TSV在價格與成本之間仍然存在極大的挑戰(zhàn)，加上新技術(shù)的不確定性所隱含的風險，以及實際的量產(chǎn)需求，形成了TSV技術(shù)所面臨的三大難題。

　　部分業(yè)界人士認為，到2014年，智能手機用的移動應用處理器可能會采用TSV技術(shù)，成為率先應用TSV量產(chǎn)的產(chǎn)品。日本JEDEC正在擬訂一個支持TSV的Wide I/O存儲器界面的方案，其目標是成為下一代采用層疊封裝(PoP)的低功耗DDR3連接的繼任技術(shù)。

　　市場調(diào)研機構(gòu)Yole Developpement稍早前發(fā)布了一份針對3D IC與硅通孔(TSV)的調(diào)查報告指出，2011年所有使用TSV封裝的3D IC或3D-WLCSP平臺(包括CMOS影像感測器、環(huán)境光感測器、功率放大器、射頻和慣性MEMS元件)等產(chǎn)品產(chǎn)值約為27億美元，而到了2017年，產(chǎn)值可望增長到400億美元，占總半導體市場的9%。

　　因此，從目前掌握的情況看，要實現(xiàn)異質(zhì)架構(gòu)的、不同IC之間的真正3D封裝，至少還需要3~4年的時間。無論是2.5D還是3D，各種TSV封裝技術(shù)的成功量產(chǎn)商用，將會帶來一種新的游戲規(guī)則。在摩爾定律越來越難走、新的半導體工藝邁向1xnm越來越昂貴的今天，封裝革命已是一種最好的超越對手的方式。

　　450mm硅片、EUV光刻及TSV 2.5D與3D封裝三大關(guān)鍵技術(shù)本來互不相干，但是相互之間會有此消彼長的效果。目前究竟那項技術(shù)走在先，尚難說清。因為半導體業(yè)是一項規(guī)模產(chǎn)業(yè)，僅小批量生產(chǎn)也不行，價值要體現(xiàn)在銷售額中。

　　近時期半導體業(yè)的增長已趨緩，可能與尺寸縮小面臨極限等因素有關(guān)。相信當三大技術(shù)獲得突破之際，將推動產(chǎn)業(yè)進入又一輪的高增長。然而這三項技術(shù)由于難度都特別大，發(fā)展都不會一帆風順，而在此過程中半導體產(chǎn)業(yè)將面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展模式等新一輪的重組與變革。