延续摩尔定律 EUV技术角色关键

　　台积电已宣布将在2018年第二代7奈米制程中开始导入EUV微影技术，以做为5奈米全面采用EUV的先期准备。 尽管目前EUV设备曝光速度仍不如期待且价格极为高昂，但与采用双重或多重曝光技术相比，EUV的投资对解决先进制程不断攀升的成本问题仍是相对有力的解决方案。

　　每一季的台积电法说会上，张忠谋董事长或是共同执行长对于极紫外光(Extreme Ultraviolet, EUV)的发展进度必会对台下观众做一专门的报告，法人代表对于EUV的导入时程亦表示高度兴趣。 到底EUV的发展对于台积电未来发展甚至是半导体制程到底有甚么样的影响? 相信这对于摩尔定律的演进一定有很重要且深远的冲击，不然怎会让众人引颈期盼EUV的导入;届时真的可以如共同执行长所说的在7奈米量产后第二年的加强版制程导入，并于5奈米制程时全面使用? 届时导入时程还会被延误吗? 从制程成本的观点来看，相信这将会是箭在弦上，不得不发的情况。

　　随着制成节点的演进，线宽不断地微缩，制造成本从过去的线性成长到现在的指数型成长;即便摩尔定律仍旧可以不受到物理极限的影响而得以延续，单位闸极的成本也难以降低甚至是增加，闸极制造成本与制程节点的趋势如图1所示;且消费者是否可以接受IC制造成本的上升而导致最终产品价格的上扬? 都值得令人探讨。 消费市场的不稳定，导致各大IC制造厂商是否仍愿意继续投入巨大的资源进行先进制程的开发与设备的投资，这种种的问题，不断地困扰IC制造厂商的决策，并影响着未来发展的走向。

　　图1 闸极成本与制程节点趋势图

　　本文想要探讨的并不是EUV是否可如期在5奈米制程中导入，而是想要从制造成本的观点来探讨EUV的重要性，各大IC制造厂商为何抱着一定要成功的心态发展EUV;成功与否为何将会严重地影响到摩尔定律的持续演进。

　　晶圆制造成本分析

　　既然本文所要探讨的是EUV对晶圆生产成本的影响，那就不得不先解释晶圆制造成本的主要组成成分，如图2所示。

　　图2 晶圆制造成本分析

　　晶圆制造成本主要来自于设备机台的折旧。 近年台积电的资本支出持续地维持在高档，一年约一百亿美元上下，机台设备的高折旧费用对于财报亦是一股沉重的压力;假设今年于设备的资本支出为六百万元，预计用五年作为折旧摊提的时间，故每一年的摊提费用为一百二十万元(600÷5)，每一个月份则为十万元(120÷12)，每一分钟的费用则为二点三元(10÷30÷24÷60)。

　　由此可知，生产设备一旦购入，平均分配到每一分钟，甚至是每一秒，都将会是成本，而这成本将会被计入到各晶圆生产成本之上。 根据这样的会计原则，相信各位读者已可以轻松了解到，生产设备越少(注：相对应的即是生产流程越少)将会大幅度的降低生产成本。 但以上提到了这么多，究竟与EUV的发展到底有何关系?

　　目前的先进制程，仍是使用浸润式的曝光机，其实以其现有光源的波长，已无法满足现有的制程需求，而必须使用双重甚至是多重曝光的方式来达到线宽微缩的目的，双重曝光与使用EUV制程流程比较如图3所示。 (多重曝光将会较双重曝光更为复杂)。

　　从流程图上看来，似乎只是少了几道制程，其实在每一道蚀刻、显影与去光阻等步骤之后都会有一些清洗制程;为了达到厂商默认的产能，多重曝光所增加的流程步骤势必将增加更多的蚀刻、清洗设备。 相信各位读者读到这已可以与前文互相链接了，晶圆制造成本最主要来自于机台设备折旧，但如果为了多重曝光添购了许多设备，不只在设备折旧方面的成本增加，多重曝光越来越复杂的图形造成曝光次数大大增加，光罩的成本也会随着倍增;其他在机台维护、原物料等方面上的支出，也必将有非常显著的增加。

　　全球最大曝光机设备商荷兰的艾司摩尔(ASML)于2010年时以一张图片显示出EUV在相关制程设备的所需数量与空间上，具有极大的优势，如图4所示。 假设月产能十三万片，并使用双重曝光制程，所需的无尘室空间约为1,200平方米;但如果使用EUV来进行图案曝光，所需的无尘室空间为双重曝光的一半，约为627平方米，产能却可提升一倍至每月二十五万片。 相信对于多重曝光来说，所需的无尘室空间与设备投资应该是更惊人;市场上预估，四重曝光所需的设备支出将会较现行双重曝光多出约60%，增加的制造成本反应到终端产品的价格，消费者是否可以接受，仍须观察。

　　另一方面，EUV设备的价格亦极为惊人，约为一亿美元，约当其他微影设备金额的两倍，并且每小时的单位产出仍无法与现行的浸润式曝光机相比;但从省下的无尘室空间与额外设备投资的降低观点而言，虽然实际数字需要细算，但相信对于IC制造厂商而言，与多重曝光相比，仍是一项值得投入资源开发的投资。 从以上成本的观点看来，如果EUV未被导入于先进制程使用，摩尔定律将会因不断垫高的成本而难以延续。

　　EUV设备当前挑战

　　当然，从以上所提，我们都知道EUV必须要被导入先进制程，但其所面临的挑战到底为何? 目前，EUV主要面临的挑战仍是光源强度的不足，目标是每一小时可完成约125片晶圆曝光的250W，达此目标即有量产价值的经济效益;但目前的光源强度为125W，每一小时约仅可完成65片晶圆的曝光，与目标仍有一段差距，可否于2018年达到如EUV设备厂商ASML所说的光源强度250W的目标，值得令人期待。 至于到了2020年，台积电量产5奈米制程产品时，或许更可接近现行浸润式微影的每小时200片的水平。

　　当众人目光皆放在设备上的演进与开发，其实在EUV的导入后，线宽的微缩，制程对于缺陷与外来微粒污染的容忍度将会大幅降低。 故对于清洗制程的挑战也将会伴随而来;其主要分为两个部分：

　　一是曝光显影后的清洗制程。 当晶圆完成曝光显影后所伴随着的副产物生成，是否可被完整的清洗，必定将会影响到后段蚀刻及其他制程的表现，进而影响到IC产品的良率。

　　二是EUV光罩的清洗与保存。 光罩是决定晶圆上图案的关键;请试想当光罩上存在着一颗微粒子，这是否会被转移到晶圆上? 想当然答案是肯定的。 那么在光罩使用后的清洗与保存，将会是另一外一个挑战。

　　另外其他的挑战将会是来自于制程整合，蚀刻制程是否可以消弭因EUV所造成线宽边缘粗糙度(Line Edge Roughness, LER);化学机械研磨(Chemical Mechanical Planarization, CMP)是否会因为线宽而造成凹陷(Dishing)等其他问题，将会如雨后春笋一般地冒出来。

　　EUV发展令人期待

　　制程的演进，线宽的微缩，伴随而来的是巨大人力以及物力的投资，投入的金额更是令人难以想象，而其中最重要的一部分则是制程材料与设备的开发;这些投入的成本，最终将会转嫁到消费者身上，消费者是否接受将有可能会严重影响厂商的决定;每一次的投资或是发展决策，迎来的是繁荣或衰败，将反映着决策的正确与否，故随时必须保持着亦步亦趋，如履薄冰的态度， 审慎面对。

　　从急剧增加的生产成本角度看来，EUV绝对会是推进摩尔定律的重要因素之一，但除了EUV本身设备的开发与挑战，制程整合亦是另一巨大的挑战;例如晶圆的清洗制程，光罩的清洗与保存，甚至是后面的蚀刻或化学机械研磨等等，都必须要与EUV一同开发。

　　新科技总是让人感到兴奋，但其中仍有许多恼人的挑战必须克服，我们乐见摩尔定律继续地被推进，相信相关产业链将会再一次的被带动，值得令人期待。