三大半導(dǎo)體廠微影技術(shù)進(jìn)度一覽

半導(dǎo)體微影技術(shù)（lithography）終于迎來全新世代交替，過去10年主導(dǎo)半導(dǎo)體關(guān)鍵制程的浸潤式（immersion）微影技術(shù)，將在今年開始轉(zhuǎn)向新一代的極紫外光（EUV）。晶圓代工龍頭臺積電將在3月開始啟動支援EUV技術(shù)的7nm量產(chǎn)計畫，支援EUV的5nm亦將同步進(jìn)入試產(chǎn)。

臺積電EUV制程進(jìn)入量產(chǎn)階段，對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言是一項重大里程碑，EUV技術(shù)可以讓摩爾定律持續(xù)走下去，理論上將可推進(jìn)半導(dǎo)體制程至1nm。

雖然臺積電第一代支援EUV技術(shù)的7+nm，只有少數(shù)幾層光罩層會利用EUV完成，但包括海思、英偉達(dá)（NVIDIA）、超微（AMD）、博通、高通等都將陸續(xù)導(dǎo)入7+nm制程量產(chǎn)。

不過根據(jù)業(yè)界消息，蘋果今年下半年推出的新一代A13應(yīng)用處理器，并不會採用臺積電支援EUV技術(shù)的7+nm，而是會採用加強版7nm（7nm Pro）制程量產(chǎn)。業(yè)界預(yù)期，蘋果正在研發(fā)中的A14應(yīng)用處理器才會是首款採用EUV的晶片，預(yù)期明年採用臺積電5nm制程量產(chǎn)。

為了加快EUV制程學(xué)習(xí)曲線，臺積電支援EUV的7+nm量產(chǎn)之際，預(yù)期有一半光罩層會採用EUV技術(shù)的5nm，亦將同步進(jìn)入風(fēng)險試產(chǎn)階段。臺積電與大同盟（Grand Alliance）伙伴密切合作打造EUV生態(tài)系統(tǒng)，包括業(yè)界傳出臺積電已對EUV設(shè)備大廠艾司摩爾（ASML）擴大採購30臺設(shè)備，晶圓傳載方案廠家登亦成為最主要的EUV光罩盒供應(yīng)商。

臺積電總裁暨執(zhí)行長魏哲家在日前法人說明會中指出，7+nm良率推進(jìn)情況良好，預(yù)期第二季后進(jìn)入量產(chǎn)階段，臺積電已經(jīng)與數(shù)家客戶合作，協(xié)助其第二代或第三代產(chǎn)品設(shè)計導(dǎo)入7+nm制程。臺積電預(yù)期價格更好的7+nm量產(chǎn)后，將可在未來幾年為7nm世代帶來更大的成長空間。至于5nm目前研發(fā)進(jìn)度符合預(yù)期，今年上半年會有客戶完成晶片設(shè)計定案（tape-out），明年上半年將進(jìn)入量產(chǎn)階段。

臺積電7+nm雖然只有部份光罩層採用EUV技術(shù)，但仍可提升電晶體密度約20％，并在同一運作效能下降低功耗約10％。至于5nm采用EUV光罩層更多，與7nm相較預(yù)期可提升電晶體密度達(dá)1.8倍或縮小晶片尺寸約45％，同一功耗下提升運算效能15％，或同一運算效能下降低功耗20％。臺積電亦計畫在5nm世代加入極低臨界電壓（Extremely Low Threshold Voltage，ELTV）技術(shù)，協(xié)助客戶將運算效能提升至25％。

EUV技術(shù) 為摩爾定律延命

隨著晶片功能愈趨強大，在半導(dǎo)體制程愈趨復(fù)雜的情況下，摩爾定律的推進(jìn)已經(jīng)放緩，以臺積電、三星、英特爾等三大半導(dǎo)體廠目前採用的浸潤式（immersion）微影及多重曝影（multi-patterning）技術(shù)來說，若要維持摩爾定律的制程推進(jìn)速度，晶片成本會呈現(xiàn)等比級數(shù)般飆升。也因此，能夠明顯減少晶片光罩層數(shù)的極紫外光（EUV）微影技術(shù)，將可為摩爾定律延命。

摩爾定律除了每18～24個月可讓晶片中電晶體數(shù)量增倍的技術(shù)推進(jìn)，還包含了經(jīng)濟(jì)層面上的益處。事實上，過去20年因為摩爾定律的推進(jìn)順利，晶片的單位制造成本可以逐年降低，并造就了個人電腦的普及，以及智慧型手機的人手?jǐn)?shù)機的情況。若半導(dǎo)體市場沒有摩爾定律的存在，晶片的成本難以有效降低，要用1,000美元以下價格買到電腦或手機幾乎是不可能的事。

不過，因為晶片制程的持續(xù)推進(jìn)，電路要再進(jìn)行微縮的難度愈來愈高，成本的提升速度也愈來愈快。以目前業(yè)界普遍量產(chǎn)中的14/16奈米邏輯制程來看，設(shè)備的投資是28奈米的數(shù)倍，換算下來晶片單位制造成本的降幅已經(jīng)趨緩，而制程進(jìn)入10奈米或7奈米后，晶片成本幾乎降不下來。也就是說，摩爾定律推進(jìn)放緩，蘋果及三星等新款旗艦手機功能又要愈多，增加的晶片用量或功能要愈多，價格自然愈墊愈高。

為了解決這個問題，業(yè)界早在10年前就已經(jīng)在討論在浸潤式微影技術(shù)之后，會不會有更好的技術(shù)來為摩爾定律延命。如今，隨著臺積電7+奈米進(jìn)入量產(chǎn)，EUV技術(shù)正式接棒演出，摩爾定律至少可再延續(xù)至3奈米或1奈米世代，雖說先進(jìn)制程價格仍然居高不下，但長期來看，基于摩爾定律發(fā)展的經(jīng)濟(jì)層面益處將可延續(xù)下去。

日月光投控營運長吳田玉曾指出，過去半導(dǎo)體業(yè)的創(chuàng)新就是摩爾定律，所以大家跟著走，但現(xiàn)在業(yè)界覺得摩爾定律的推進(jìn)變慢了，但以他來看不是變慢，而是業(yè)界降低成本（cost down）的本領(lǐng)不夠，導(dǎo)致摩爾定律的時間拉長，但摩爾定律另一個層面代表的經(jīng)濟(jì)定律卻沒有變。

當(dāng)然，靠EUV就要讓摩爾定律延續(xù)下去仍有許多挑戰(zhàn)，除了制程上的微縮，具異質(zhì)晶片整合優(yōu)勢的系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)，也被視為能讓摩爾定律持續(xù)下去的重要解決方案。也就是說，未來晶片不會是單一的晶片，而是一個次系統(tǒng)或微系統(tǒng)的概念，異質(zhì)整合將是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)另一重要發(fā)展方向。