摩爾定律的三種發(fā)展方向，EUV制程技術(shù)勢在必行

從2017到2018年，全球IC制造產(chǎn)業(yè)資本投資規(guī)模達(dá)到高峰，近兩年總投資均超過920億美元規(guī)模。目前中國***IC制造產(chǎn)業(yè)仍以晶圓代工貢獻(xiàn)最主要產(chǎn)值，隨著創(chuàng)新應(yīng)用的發(fā)展，對于制程的需求也一直不斷攀升，縱觀2018年后的應(yīng)用趨勢，半導(dǎo)體發(fā)展將更加多元，隨著先進(jìn)制程來到10納米之下，制程微縮瓶頸浮現(xiàn)，同時復(fù)雜的圖形造成曝光次數(shù)增加，光罩成本隨之倍增，讓半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向來信守的摩爾定律（Moore’s Law）變得窒礙難行，極紫外光（extreme ultraviolet；簡稱EUV）E技術(shù)被視為摩爾定律繼續(xù)往下走的關(guān)鍵，EUV制程技術(shù)勢在必行。

新應(yīng)用對IC制造技術(shù)的影響

隨著7納米之后的解決方案討論開始浮上臺面，EUV微影技術(shù)等設(shè)備將加速2019年之后先進(jìn)制程的量產(chǎn)。EUV微影技術(shù)的實(shí)用化，需整合研發(fā)光源、光學(xué)系統(tǒng)、光罩、光阻、曝光裝置等各項(xiàng)技術(shù)，然而制程微縮除了對制程穩(wěn)定度帶來壓力外，在成本控管上亦是相當(dāng)嚴(yán)肅的課題。采用新式材料與技術(shù)成為研發(fā)的另一方向，納米碳材、寬能隙材料的導(dǎo)入，將有助于延續(xù)摩爾定律。

***地區(qū)工研院產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與趨勢研究中心（IEK）資深產(chǎn)業(yè)分析師劉美君指出，縱觀2018年以后的趨勢，會發(fā)現(xiàn)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧汽車、高速運(yùn)算等應(yīng)用，將促進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展更多元。未來AI將整合IoT技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用以工業(yè)、智慧城市等領(lǐng)域?yàn)橹?，分析?a target="_blank">公司AI芯片發(fā)展，會發(fā)現(xiàn)所需制程幾乎還是以10納米以下為主流；但并非所有產(chǎn)業(yè)都需要最先進(jìn)的制程，預(yù)估到2021年，45納米和22納米仍是產(chǎn)能占比最多的制程，在發(fā)展上最成熟穩(wěn)定、良率亦是最高；10納米和14納米制程會成為要角，有急速攀升的趨勢，而年復(fù)合成長率最快的則是7納米制程。

導(dǎo)入EUV技術(shù)，仍有諸多難題

在過去兩年間，臺積電為了拉大和競爭對手的距離，著重在10納米以下制程能力的提升，特別是7納米與5納米量產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)生產(chǎn)。對晶圓代工產(chǎn)業(yè)而言，制程能力將影響未來客戶下單的選擇，但關(guān)鍵在于良率夠高、速度要夠快，客戶對于7納米世代的制程需求亦有極高的期待，為了突破微縮制程在7納米的瓶頸，EUV技術(shù)的需求因此產(chǎn)生。

但就現(xiàn)階段來看，要藉由EUV實(shí)現(xiàn)7納米以下微縮制程，仍有許多棘手的問題待克服。除了生產(chǎn)性降低、成本增加、產(chǎn)能對半砍，EUV還有曝光裝置耗電太大的問題。劉美君進(jìn)一步解釋，假設(shè)EUV光源效率以0.1%來計(jì)算，若期望輸出功率為150W的EUV光源，則需使用150kW的電力，以一般量產(chǎn)所需10臺曝光機(jī)的基本數(shù)量來看，則需消耗1500kW電力。先前媒體曾報(bào)導(dǎo)，全***用電過去五年的增加量，約三分之一由臺積電貢獻(xiàn)，導(dǎo)入EUV微影技術(shù)后用電還會暴增，根據(jù)臺積電評估，計(jì)劃于2020年量產(chǎn)的5納米制程，用電會是目前主流制程的1.48倍 。

此外，還有光罩防塵薄膜的難題存在。使用薄膜（Pellicle）最主要有兩種目的，除了增加芯片生產(chǎn)良率，還能減少光罩于使用時的清潔和檢驗(yàn)，不過在高功率的EUV光源下，Pellicle也有可能從自身產(chǎn)生微塵（Particle），造成光罩的污染，因此EUV若要進(jìn)入量產(chǎn)，微塵的控制就會變得非常重要。

摩爾定律的三種發(fā)展方向

1975年，英特爾（Intel）創(chuàng)辦人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出摩爾定律：隨著制程的進(jìn)步，集成電路上可容納的電晶體數(shù)目，約每隔一年半會增加一倍；若換算為成本，即每隔一年半可降低五成，平均每年可降低三成。就摩爾定律延伸，IC技術(shù)每隔一年半就會推進(jìn)一個世代。但摩爾定律是否仍適用于目前的半導(dǎo)體制程生態(tài)呢？已退休的臺積電董事長張忠謀認(rèn)為，摩爾定律早已無效，必須跳脫摩爾定律對于集積度的執(zhí)著，只從應(yīng)用看整合，也就是“創(chuàng)造橫向應(yīng)用”來克服已經(jīng)失效的摩爾定律。

劉美君分析，若要延續(xù)摩爾定律，會遇到7納米制程的抉擇困境。首先是設(shè)備難度提高，先進(jìn)曝光機(jī)、刻蝕機(jī)等設(shè)備研發(fā)技術(shù)難度大，依據(jù)Intel官方計(jì)算過去研發(fā)10納米的制程，光罩成本至少要10億美元，若10納米制程的芯片產(chǎn)量低于1，000萬片，平均每片芯片上的光罩成本就高達(dá)100美元，一旦7納米的良率和產(chǎn)能無法提升，單顆芯片的成本將會十分高昂。而根據(jù)研究機(jī)構(gòu)推算，10納米芯片的總設(shè)計(jì)成本約為1.2億美元，7納米芯片則為2.71億美元，較10納米高出兩倍之多！

因此7納米之后的發(fā)展，有三種可能方向。首先是延續(xù)原有CMOS技術(shù)的發(fā)展概念，持續(xù)朝向摩爾定律方向進(jìn)行高集積度的IC元件設(shè)計(jì)，但7納米以后物理極限問題會漸趨嚴(yán)重。第二種是由應(yīng)用需求驅(qū)動未來芯片設(shè)計(jì)功能的多樣化，例如透過3D IC等封裝新技術(shù)，整合Power、傳感器（Sensor）、致動器（actuator）等功能進(jìn)入芯片設(shè)計(jì)與制造。最后一種則是跳脫原有以硅（Si）為基礎(chǔ)的CMOS元件制程，進(jìn)入21世紀(jì)的碳素時代，以新材料、新技術(shù)來創(chuàng)造更高性能、低能耗的制造型態(tài)，同時又要能與現(xiàn)有制程相容，并具備成本優(yōu)勢。

7納米以后IC制造技術(shù)的可能發(fā)展方向

尋找下世代的半導(dǎo)體材料

隨著IoT產(chǎn)品普及速度加快，元件耗電問題成為下階段半導(dǎo)體發(fā)展的重要課題，2020年后的電子元件，將聚焦在超低功耗的解決方案開發(fā)。劉美君指出，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬能隙功率元件，擁有較耐高溫、耐高壓、電阻小、電流大與低耗電等特性，相當(dāng)適合高頻元件使用。2017年SiC Power市場規(guī)模達(dá)到275億日元，主要以通訊領(lǐng)域?yàn)榇笞冢A(yù)估在2030年將會擴(kuò)大至2，270億日元。而GaN Power則是在200V的低耐壓及600V以上的中耐壓領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大市場規(guī)模，2017年GaN全球市場規(guī)模預(yù)估為18億日元，未來可朝向醫(yī)療器材發(fā)展，2030年時可望成長至1，300億日元。

總結(jié)而言，未來IC制造業(yè)投資風(fēng)向從傳統(tǒng)消費(fèi)性電子產(chǎn)品走向多元與新興應(yīng)用，2018年的應(yīng)用產(chǎn)品潮流，從過去的消費(fèi)性電子轉(zhuǎn)向AI、IoT產(chǎn)品加值的領(lǐng)域進(jìn)行延伸，對于芯片的規(guī)格需求，除了元件微小化外，高速運(yùn)算與傳輸、多重元件異質(zhì)整合、低功耗等特性，更是未來在產(chǎn)品與制程設(shè)計(jì)上需考量的課題。