IC的22nm时代来临 450mm硅片大势所趋

　　全球半导体业如戏剧般在改变，2010年是国际金融危机之后的首个高增长年，增幅达32%。刚进入2011年，业界首先理性地认为今年不可能持续如此高的增长，但是在惯性的推动下以及终端电子产品如智能手机与平板电脑市场依然火爆的情形下，年初时各家分析机构基本上预测2011半导体业增长在2%～10%之间。
    随着两个季度的过去，情况出现了一点变化，除了3月时受日本强地震影响之外，目前主要是受全球经济大环境的拖累，如美国经济复苏缓慢、失业率居高不下，欧债危机未见平息等。IHS iSuppli最新研究数据显示，由于产业重建库存和为预期中的需求增长做准备，第二季度芯片供应商的半导体库存水平连续第七个月上升。
  　每年正常的Q3是传统的旺季，如今却因全球经济困境导致消费者的信心指数下降，可能会出现旺季不旺的反常现象，所以近期许多市场分析机构与公司开始纷纷调低今年半导体增长的预期，如卡内基公司的Bruce Diesen在5月时预测增长率为5%，至7月时下调为3%；Gartner在Q1时预测增长率为6.2%，而至6月时下调为增长5.1%；唯有IHS iSuppli公司在4月时预测增长率为7.0%，而至6月时上调为7.2%。
    以上仅反映两个季度过去半导体产业的变化向减弱方向发展，不过总体上产业基本面仍是正常，如今年半导体设备的投资从去年的385亿美元增加到今年的443亿美元，增幅达12%。而终端电子产品市场仍相当有活力，如2011年消费性电子产品的市场成长率将达5.6%，高于美国2.4%的GDP成长率。2012年消费性电子产品的营收将继续攀升，预计会达到1970亿美元。2011年，包括苹果iPad及其对手在内的平板计算机销售量，将达到2650万台，这将为各装置厂商产生140亿美元的营收；智能型手机的销售额将比2010年同期增加45%，达230亿美元。
  　而在目前消费性电子产品中，平板电视的销量则有下滑趋势。研究显示，88%的美国家庭至少拥有一台数字电视机。正是由于如此高的普及率，2011年电视的销量将出现下滑，但营收仍将超过180亿美元。
  　IDC最近公布了它的最新预测，半导体市场规模将由2010年的2820亿美元增长到2011的3030亿美元，增长7.4%，并预测2012年再增长5%达3180亿美元，在2010～2015年期间半导体的年均增长率达6%。依分类计，计算机类IC的CAGR为4%～5%，通信类为7%，消费类为5%。
   因此今年全球半导体业增长应该是没有悬念，增长多少需要视未来的市场需求而定。

    验证大者恒大定律
    并购使这个市场上出现“巨头”，半导体产业“大者恒大”的定律将再次被验证。

    “纵观芯片产业历史，凡是在恰当时机抓住机会的公司都获得了很好的发展。”今年5月德州仪器(TI)以65亿美元的高价兼并美国国家半导体(NS)让所有人的眼球一亮。该交易不仅是TI历史上金额最高的一笔并购，也是2006年以来金额最高、规模最大的芯片行业并购交易。巧合的是，几乎同一时间，TI的竞争对手英飞凌也以1.006亿欧元收购奇梦达位于德国的12英寸晶圆厂。有关芯片厂商“规模化生存”的议题再次被提起。
    彭博社的数据显示：过去一年，半导体产业发生196桩并购交易，这些交易的平均规模为1.298亿美元。与之相比，TI所支付的差价相当于平均值的4倍以上。业界评论TI对NS的收购无疑将此轮扩张推向顶峰。
    根据Databeans的报告，2010年全球模拟半导体市场的规模为420亿美元。TI在该产品线领域营收达到59.8亿美元，占有全球市场14%的份额。而2010年NS的收入约为16亿美元，市场份额为3%。
    长期以来，TI与NS一直是竞争对手，两家公司每家都有其独特竞争优势。TI有3万种模拟产品、广泛的客户影响力以及业内领先的制造技术，包括世界上第一个12英寸模拟芯片生产工厂。NS有1.2万种模拟产品，特别在工业市场占据强势地位。以2010年销售额合并计算，TI将因此取代东芝成为全球第三大半导体公司。
    对芯片厂商特别是代工厂来说，“规模化”并不是个新概念。过去两年中，半导体业这种“合纵连横”的趋势尤为明显。日本芯片巨头NEC与瑞萨科技合并，阿布扎比ATIC公司和AMD合资成立Global Foundries。2010年1月，Global Foundries又完成了对新加坡特许半导体的兼并。
    不过，大规模并购在模拟芯片市场却很少发生。有业内人士认为，并购使这个市场上出现“巨头”，半导体产业“大者恒大”的定律将再次被验证。
    “在当前的市场情况下保持领先有三个重要方面。”TI的CEO Templeton说，“产品技术、低成本快速制造能力以及覆盖全球的技术服务体系，一些公司可能只在某方面做得很强，但是同时具备这三个条件的不多，这也是TI能够持续发展的原因。”

    工艺技术进入22nm节点
    半导体工艺技术至今仍是按摩尔定律进步，2011年可进入22nm节点，进入下一个节点的时间尚难预料。

    英特尔已经公布它的路线图，两年之后，英特尔将以14nm节点生产芯片，然后在2015年以10nm工艺生产芯片。最后，英特尔计划在2017年生产其第一款7nm芯片。
  　英特尔的22nm三栅(tri gate)晶体管技术具里程碑意义，预示半导体技术将向3D过渡。
 　 因为按照ITRS半导体工艺路线图，在2007年45nm节点时，英特尔就发布了高k/金属栅技术，可以看作是晶体管组成材料的一次革新，用高k材料来替代传统的SiO2，让定律又延伸了10年～15年。今年5月英特尔又发布3D晶体管结构，使传统的晶体管二维结构变成三维，应该是半导体工艺技术中又一次重大的革命。
  　业界对于英特尔将采用的技术节点也有诸多猜测。英特尔的22nm制程将基于英特尔的第三代high-k/金属栅方法，它使用铜互连、low-k技术。与32nm相同，英特尔采用193nm浸液式光刻技术。
    英特尔的22nm的3D晶体管技术，性能相比40nm高40%，功耗省30%，其工艺成本仅上升2%～3%，而采用SOI工艺要上升10%。另外可实现100%的电池续航能力，预期2011上半年开始试生产。
    据英特尔最新报道，22nm产品于今年投产，14nm厂房正加大投资加紧建设，不久就会接到14nm设备的订单，未来半导体技术可达7nm节点。
    台积电年内28nm工艺规模量产，将于今年底正式开始生产基于28nm工艺的晶圆。台积电称，公司计划于2011年Q3某个时候开始导入28nm制造工艺的商业化生产，而到2011年Q4时，28nm晶圆带来的营收贡献比率将达到2%～3%左右。
    与当初升级到40nm制造工艺时相比，台积电本次升级28nm制造工艺是无论在产能提升还是在良品率改善方面都会更为顺利，因为当初升级40nm制造工艺的时候台积电是需要设备升级的，而本次28nm制造工艺升级台积电似乎已完成了新设备的调试。
　　三星2010年4月开始量产27nm　NAND Flash，开启全球20nm等级制程的时代，经过15个月，三星即发展到21nm产品，展示其独步全球的技术水准。
    另外，东芝于今年7月底将在日本三重县八日市fab 5半导体厂中，以19nm制程量产NAND Flash，目前东芝主要量产24nm制程产品。海力士在技术竞争中也不落人后，将于2011年第四季度以20nm制程量产NAND Flash。

    EUV是未来光刻必然趋势
    除了EUV技术之外，还有无掩膜的多束电子束光刻及纳米印刷等多种候选技术，未来进展取决于性价比。

　　推动半导体业进步的两个轮子，一个是特征尺寸缩小，另一个是硅片直径增大。毋庸置疑，尺寸缩小总是占先。近日英特尔公布22nm的3D技术开发成功，表明一直前景不明的16nm技术可能会提前导入市场。
    影响尺寸缩微的光刻技术，目前是一直沿用更短的曝光波波长，如ArF光源，振荡波长为193 nm。由于EUV(极紫外线光刻)技术的多次推迟，使得193nm光学光刻方法发挥到淋漓尽致。如从193nm干法到湿法，一直到工艺繁复与成本增加的双重图形技术。
    业界早在2008年时就认为光学光刻已快到尽头，22nm是终点，之后必须要采用波长为13.4nm的EUV技术。尽管EUV可能是下一代光刻的候选者，但是EUV已经被多次推迟，原因是还有些问题没有解决，包括缺乏合适光源(功率不够)及EUV掩膜用的pellicle。此外还有经济因素，如每台设备价格高达1.25亿美元，以及设备的每小时硅片产出问题。
    除了EUV技术之外，还有无掩膜的多束电子束光刻及纳米印刷等多种候选技术，未来进展取决于哪一种技术的性价比更高。
    目前全球EUV与无掩膜电子束光刻设备的进展如下：
    Nikon提出它的最新光学系统621D，套刻精度2nm/3sigma。它的开发型EUV-1的NA为0.25，未来推出生产型EUV-HVM时NA为0.4。
    ASML设定它的EUV路线图，其开发型NXE3100的NA为0.25，如果光源能量在硅片表面上达到15毫焦耳/cm2时，每小时可达125片。ASML目前已有三台设备在客户端作测试，第四台正在安装，并预测到2012年底前可出货10台。由于全球EUV光源的供应商包括Cymer、Gigaphoton及Ushiro，另有新兴厂XTtreme。ASML公司对于它的EUV光源供应商选择尚未作最后决定。
    另一家Mapper公司正在开发无掩膜的多束电子束光刻机。它的第一代机1.1在25nm时每小时产出1片，已发货给法国的研发机构Leti，明年将再发货给TSMC。该公司计划利用集束电子束把产能提高到每小时10片，以及最终在16nm时实现每小时100片。Mapper的优势在于它的每台设备的价格及产能，目标是每台设备为500万欧元，与EUV价格相比仅为其零头。
    另一家EUV光源供应商Xtreme，它采用激光放电等离子技术。光源装置包括两个装有液态锡的轮，在10000Hz下放电产生激光脉冲(未来量产装置高达10万Hz)。光源的重量可重达8吨，为了防止锡污染，聚光镜四周装有屏蔽罩。Xtreme的Marc Corthout认为实际上光源能达到工艺要求所需的功率。
    比利时的IMEC认为EUV是未来光刻的必然趋势。从全球互联网的需求出发，一定会促使逻辑或存储器客户采用它。EUV的三个关键是设备、掩膜与光刻胶，目前已被确认都是可实行的。尽管如此目前EUV的主要挑战仍是光源，预计真正采用可能是在11nm工艺导入左右。
    IMEC于2011年3月导入了曝光装置单机和EUV光源，并开始在研究设施内进行了调整和整合测试。现在已与东电电子(TEL)的涂布显影装置“Lithius Pro”连接。IMEC表示：“吞吐量为ASML公司曝光工艺评测用EUV曝光装置的20倍，计划在2012年初期实现100W的光源输出功率和60张/小时的吞吐量。”在重叠精度方面，此次成果具有达到目标值4nm以下的潜在能力。分辨率在使用偶极照明时可达到20nm以下，对于IMEC的目标——2013年确立分辨率达到16nm的量产技术来说，此次成果具有里程碑的意义。
    业界对于EUV的前景仍有疑虑，明年是关键。尽管如此，EUV与一年之前相比已经大有改善，可能有两台设备将进入量产前的准备阶段。
    可以肯定业界采用传统的光学光刻设备是最为经济的，但也总有尽头，尤其当尺寸越来越小时，由于成本太高愿意跟踪的厂商数量会越来越少，将导致未来经济可行性差，因此有人对于在11nm时EUV才能导入提出质疑。

    推动450mm硅片迅速过渡
    成本下降是决定450mm硅片成功的关键，只有使芯片制造商与设备制造商同时实现双嬴，才能持续进步与发展。

　　有关450mm硅片过渡在业界一直争论不休。到今天为止持积极态度的已有三家，分别是英特尔、台积电及三星，其中台积电的态度似乎更明朗一些。如台积电营运暨产品发展副总秦永沛曾谈到有关18英寸晶圆厂计划，重申台积电预定2013年～2014年建立试产线，2015年～2016年在台中厂量产，18英寸晶圆生产从环保、经济上来看，都会比12英寸厂更有效率。
    业内对于18英寸、450mm硅片过渡持另一种观点是应用材料公司为首的一批设备供应商。理由也十分清晰，开发450mm设备的费用约为200亿美元，由谁来承担？另一方面更为实际，即未来有多少订单可用来提高投资的回报率。
    然而，由于近期产业的进步已使双方的观点越来越接近。如应用材料公司总裁Mike Splinter在其今年Q2的总结会上已公开表示，在2012年公司要加大450mm设备的研发投资力度，表明应用材料公司已经看出450mm硅片是大势所趋，作为全球半导体设备的领头羊，不能再有丝毫的迟疑，只有积极的跟进才是未来的生存之道。
    如今对于向450mm硅片的过渡，持怀疑者已不多见，然而谁是真正首批的推进者，以及在什么时间过渡可能尚存有不同的看法。
    因为理想的演变过程应该是刚开始时有2～3家公司建立450mm试制生产线，然而在芯片制造成本下降的诱因下迅速过渡到量产生产线，与之前由200mm向300mm硅片过渡的过程几乎相同。由于在相同工艺条件下，450mm生产线的运作成本大约与300mm相比仅增加30%，但是由于硅片面积增大2.25倍，导致最终芯片的制造成本下降，由此将激发产能扩充，以及更多的厂投入450mm硅片(估计全球有10家以上)。这样的过程导致450mm硅片的市场占有率将由小至大，如目前300mm硅片占总硅片出货量已超过60%。因此向450mm硅片过渡的关键在于成本下降，而且必须同时使芯片制造商与设备制造商实现双赢。
    至于450mm硅片的过渡时间点，台积电选择在2015年～2016年，也即22nm～16nm的量产阶段，可能业界存在不同的看法。因为由200mm向300mm硅片过渡时，原先估计在250nm节点，实际上推迟到130nm节点，英特尔在2002年首次建12英寸生产线。因此未来450mm硅片的配套产业链将成为制约因素，导致业界产生有不同看法是完全正常的。
    从应用材料公司角度，从1996年开始就研发300mm设备。原来以为在2000年左右就会有大量的订单到手，实际上由于遇到2001年的网络泡沫，导致实际上全球300mm设备推迟到2003年才稍有起色，所以公司的获利点被推迟了3～4年，这样的历史教训在向450mm过渡时不可能完全被忘却。
    应用材料公司总裁Mik Splinter近期在回答分析师提问有关450mm设备进程时，认为目前尚有大量的工作要做，如设备的自动化与腔体设计等，但是2012年公司肯定会加大投资力度。然而由于还不太清楚客户究竟什么时候会下订单，所以什么时候能够提供样机尚不好说。不过有些厂家正考虑在2015年～2017年要实现450mm硅片的量产。
    成本下降是决定450mm硅片成功的关键，然而这是指芯片的制造成本，不仅与设备有关，还与配套的产业链有关。相信只有使芯片制造商与设备制造商同时实现双赢，才能持续进步与发展。因此未来向450mm硅片过渡，估计要比向300mm硅片过渡更为复杂与困难，可能周期会更长一些。
    总体上450mm硅片是大势所趋，业界己有共识。然而何时真正的开始过渡，以及全球有多少厂家愿意出资70亿美元～100亿美元投资建厂尚有待观察，这也是目前似乎存有不同观点的症结所在，因为可能只有销售额达到或接近200亿美元的企业才能够支持得起如此巨额的持续投资。