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什么是EUV?它能制造先进制程晶片,但有3个缺点需要克服

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2023-10-16
现在让我们来了解一下微影制程对最近半导体生产增加率的下降,和半导体供需稳定产生什么样的影响。首先,关于大家经常听到的 14 纳米 DRAM、4 纳米 AP 等用语,要先说明纳米是什么意思,以及纳米前面的数字降低(精细制程转换)究竟意味着什么。
所谓的几纳米,意思是晶圆上的电路最细能做到多细,所谓 14 纳米,是指 DRAM 设计时,最小电路宽度(Design Rule)定为 14 纳米,而纳米(nm)是指十亿分之 1 米,这样马上就能知道 14 纳米 DRAM 的最细线宽是多少。但 14 纳米 DRAM 并非意味着所有电路都是 14 纳米宽,除了最重要的部分以外,其余部分设计上会有不同宽度的线路。而这就是即使相同 14 纳米 DRAM,各企业晶片大小也不同的原因。从 16 纳米 DRAM 到 14 纳米 DRAM,最小电路宽度及周围电路宽度变细的话,DRAM 的晶片尺寸自然会变小。这种制程被称为精细制程转换,最近在精细制程的每一代中,晶片约变小 20% 左右的水准。这句话的意思是,如果进行精细制程转换,同一 12 英寸晶圆生产的半导体量将增加 20% 左右,即降低纳米数字(精细制程转换),是为了增加产量,降低成本。
那么,最近微影制程中的困难,使半导体生产成长率下降的说法是什么意思呢?目前微影设备的主要光刻机是 ArF Immersion(分子雷射搭配湿浸式微影),这是以水为介质,利用光线透水时出现的折射现象的设备。该设备在生产 35 纳米上一代 DRAM 时,即使是半导体电路中最细微的部分,也可以用一道光罩,一下就刻出更精密的电路。
随着精细化到 30 纳米级以下,该设备无法一次性拍摄出最重要的部分电路图案。事实上,ArF Emergion 设备的极限是 35 纳米。因此半导体企业针对最精细的部分,设计出一种方式是将电路分为两个,而不是一个,因为单次曝光已不足以应付线宽缩小所需,线宽之间的间距越来越窄,于是便将曝光分为两次,这种方式叫做双重曝光(Double Patterning)。使用 EUV 设备的话,理论上可以解决双重等多重曝光精细制程的缺点,也就是可以自然解决生产力减少和投入与产出的下跌问题。最精细的电路部分也可以使用一道光罩一次刻出来,也就是说总制程循环次数可以减少,也不会发生边缘位置误差。但实际上即使在使用 EUV 设备的 1A 纳米之后,DRAM 的低生产成长率仍未获得解决,情况反而更加恶化,其理由如下:
随着光罩数的增加,半导体总制程循环的次源的弱功率,每小时的晶圆处理量只有一半左右。换言之 EUV 设备的性价比低,对比于 ArF Emergion 设备只有十分之一的水准。不过目前使用 EUV 设备是克服日益恶化的多重曝光缺点的必然选择,并非因为 EUV 设备的生产率好才如此。
第二,因为目前还处于引进初期,EUV 微影制程也仍然存在技术的困难点。不仅 EUV 设备自身硬体上的问题仍有很大改进空间,相关零部件、材料也存在诸多难题。
简单来说,为了正式引进 EUV 设备,需要由多层透镜和曝光吸收层(Absorber)组成的无缺陷光罩,超薄膜、高强度、高均匀透射率的光罩护膜(Pellicle),以及高解析度、低照射剂量(Dose)、低气体释放度、平滑线条边缘(Edge)的光阻剂。
另外,最重要的是基于更短的曝光波长、真空环境和超精细图案,EUV 制程需要发展高难度的良率管理和测试技术。
这就像是为了躲避狮子而逃跑,结果遇到了老虎一样,为了避免多重曝光,而引进 EUV,不过 EUV 却也出现不少需克服的难题。
第三,虽然 EUV 制程还存在许多问题,但购买这台设备本身就不容易。如前述所言,EUV 设备在全世界只有艾司摩尔能供应。因此三星电子、台积电、 SK 海力士、Intel 等半导体企业不得不密切关注艾司摩尔的 EUV 产量。
但事实上艾司摩尔也无法生产出如自己所愿的 EUV 设备。举例来说,做为 EUV 设备最关键零组件的镜头由德国的卡尔蔡司公司(Carl Zeiss)所供应,卡尔蔡司公司的镜头产量由于生产设备不易增加、以及需依赖熟练员工等因素,很难快速提高产量。因此艾司摩尔在 2022 年生产的 EUV 微影设备只有 55 台左右,预计今后两年内也很难大幅增加。
这里要告诉大家的关键内容是,因为微影制程的困难,DRAM 生产成长率正在下降,尽管有 EUV 制程的应用,但此一问题仍未获得解决。这种供应上的制约在半导体记忆体需求成长率下降的情况下,也起到了维持业况平衡的作用。
当然,今后如果 EUV 设备价格急遽下降,每小时晶圆总处理量增加,同时相关零组件和材料情况得到明显改善的话,那么半导体产量成长率也有可能恢复到以前高水准的可能性。在此种情况下,如果没有出现大幅增加半导体记忆体需求的动因,那么半导体供应过剩问题就可能被凸显出来,因此这是日后还需要再观察的问题。
作者介绍:宋明燮(송명섭)韩国半导体权威分析师。
在韩国高丽大学主修英国语文学系,而后进入现代电子(现SK海力士),破例以文科生身份,在技术行销部门展开职场生活。参与过现代电子和LG半导体之间的合并工作,其后于2001年起,担任证券公司半导体负责分析师。从KGI证券、Meritz证券、Good Morning新韩证券,直至现在的Hi投资证券,这二十多年来,他只专注于半导体产业分析。身为业界最资深的分析师,2021年12月时,被韩联社旗下的金融机构Yonhap Infomax介绍为8名分析大师(Guru)中的半导体分析权威。
特别专注于总经面,侧重观察景气指标,这样的观察角度有别于其他分析师。韩国的股市氛围向来倾向于不做消极股价预测,在这种环境下,他却以冷静判断股价而闻名。