晶圓代工龍頭台積電(TSMC)在上週發表了亮眼的2019年第三季財報,而該公司在10月初也罕見的針對其極紫外光(EUV)微影技術導入進度發出新聞稿指出,台積電率先採用EUV微影技術之7奈米強效版(N7+)製程已協助客戶產品大量進入市場,為量產速度「史上最快」的製程之一,已於2019年第二季開始量產,且強調「在其7奈米製程技術(N7)量產超過一年時間的情況下,N7+良率與N7已相當接近。」

而EE Times詢問了幾位產業分析師,他們大都認同台積電在EUV微影技術商用化自稱第一的說法有其依據。如市場研究機構Arete Research的資深分析師Jim Fontanelli表示:「無論在EUV微影設備的使用與採購量、商用EUV晶圓片的產量,以及將EUV整合到他們近期的技術藍圖等方面,台積電顯然都跑在最前面。」

Fontanelli指出,目前台積電N7+製程的領先優勢是大約有三層光罩是採用EUV微影;到2020年下半年,台積電將量產的5奈米製程將會大幅將採用EUV的層數增加到約15層。而在2020年底將量產的6奈米製程,則是會採用約4層的EUV微影。

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EUV微影技術進展時間表。
(來源:Zeiss)

此外Fontanelli認為,由於7奈米節點晶圓產能有限,AMD應該是台積電7+製程的主要客戶,而華為(Huawei)與蘋果(Apple)則會是其5奈米製程的兩大買主,這兩家公司都尋求晶片面積的進一步微縮以及功耗、速度性能的提升。至於聯發科(MediaTek)則可能會是台積電的6奈米製程最大客戶,因為7奈米製程產量持續有限。

如同台積電在晶圓代工產業的頭號競爭對手三星(Samsung)之一位技術專家在先前刊登於EE Times的一篇文章中所言,儘管EUV一直很難實現,該技術卻是晶片製程微縮不可或缺的關鍵。EUV微影的功率目標至少為250W,而其他的傳統微影光源功率目標要低得多,如浸潤式微影僅90W,乾式氟化氬(ArF)光源的功率目標為45瓦,氟化氪(krypton flouride,KrF)光源則為40瓦。高數值孔徑(High-NA)的EUV光源預期將需要至少達到500W功率目標。

而EUV可以提供的關鍵優勢在於能抵銷7奈米及更先進節點製程的高昂生產成本。在上述三星的文章中指出,EUV約可減少20%的光罩階層,因此縮減量產週期時間;晶片設計者利用EUV微影製程,能避免晶圓廠使用193奈米浸潤式微影技術時非常難以應付的三重、四重圖形(triple/quadruple-patterning)技術。

上述文章的作者、三星電子晶圓代工業務首席專家Yongjoo Jeon總結指出:「簡而言之,雖然在理論上晶片製造商可能不靠EUV繼續向前,但隨著時間繼續推進,這種強大且越來越耐用的技術更具吸引力,對於尖端半導體社群來說也越來越不可或缺。」

Fontanelli指出,三星是於去年底在其7LPP製程導入EUV微影技術,一開始只用來生產自家以及可能高通(Qualcomm)的應用處理器,但產量都不高;三星規劃明年量產6奈米EUV製程,開發中的5奈米EUV製程可能會在2021年量產。「關鍵在於產量──雖然三星對於自家手機應用處理器有保證產量,其尖端製程的外部客戶有限,高通是主要客戶;」他也指出,三星可能會有一部分來自高通的生意流向台積電。

EUV三強

現階段只有三家晶片製造商──台積電、三星與英特爾(Intel)──正在規劃將EUV導入生產技術藍圖,英特爾排第三。「看來英特爾致力於在7奈米節點採用EUV,預計在2021年左右實現;」Fontanelli表示:「由於製程需求不同,其光罩層數在5奈米節點可能會比台積電少,大概會低於10層。」

無論如何,英特爾仍可能是這場EUV技術競賽中的一匹黑馬。市場研究機構VLSI Research執行長Dan Hutcheson表示:「在這三家公司中,英特爾深不可測,因為該公司沒有業務上的理由需要公開他們正在做的事情,而英特爾總是比其他公司擅長將微影工具推向一個新節點。英特爾多年來一直是最積極投入EUV技術研發,該公司也沒有誇耀自家EUV成果的行銷需求,因此直到他們有信心準備好生產之前,不會有任何訊息宣佈。」

原本英特爾的7奈米製程預計於2017年量產,但因為其14奈米節點、10奈米節點的量產陸續延遲,該公司將7奈米處理器的量產延後至2021年。市場研究機構IC Insights的副總裁Brian Matas指出,在2019年5月,英特爾高層曾經聲稱其7奈米技術會挑戰台積電5奈米節點製程所規劃的性能表現。

而無論如何,在EUV獲得廣泛採用之前仍需要好幾年時間,較小的晶片廠商可以先喘口氣,在可見的未來繼續採用較舊的微影工具。The Linley Group首席分析師Linley Gwennap表示:「只有最小的功能會需要用到EUV,我們預期晶圓廠會繼續在大多數的光罩層採用傳統微影技術。台積電表示其N7+製程採用4層EUV,下一代的5奈米製程將採用14層EUV,隨著電晶體持續微縮,需要用到EUV的層數會更多。」

Gwennap表示,雖然台積電表示其N7+製程良率表現佳,但我們還沒有看到任何採用該製程處理器的手機問世;華為的第一批Mate 30手機是採用7奈米Kirin 990處理器,並非N7+製程5G版本處理器。而三星8月開賣的Note 10手機已經內建7奈米EUV製程晶片,其良率表現應該已經達到合理目標。

「英特爾至少會落後兩年,」Gwennap總結:「其第一批EUV微影製程產品最快要到2021年底才會問世。」

編譯:Judith Cheng

(參考原文: TSMC Leads in Adoption of EUV,by Alan Patterson)