半導體制程在創造力與技術進步下不斷突破

王瑩

編者按：我國的集成電路制造業正迎來大發展時代。世界芯片制造的現狀與未來方向如何？我國晶圓制造的特點是什么？

摩爾定律催生制程和封裝的進步

問：近幾年人們常談論摩爾定律，擔憂是否會走到頭，您怎么看了

答：在過去幾十年里，摩爾定律只做了一件事，就是線寬微縮。目前來看，線寬微縮的速度減慢了。但摩爾定律的實質是指半導體行業每隔18-24個月會進一步，只不過在過去幾十年里，這個進步是由簡單的線寬微縮來實現的。到今天，線寬的微縮變得越來越困難，因此，為了實現性能的提高，人們采取了各種各樣的創新辦法。主要是三個大方向，晶體管的結構、存儲器的平面到縱向、封裝的結構。

邏輯芯片的晶體管從平面變成立體的Fin FET，再往前，可能FinFET也不夠了，需要納米線。

而在存儲器方面，以前的存儲器是平房，現在發現人住不下了，就蓋樓，從32層、42層，到64層，現在大家都在談要做96層和128層。以前覺得128層怎么做得出來？現在大家覺得可以做了。

封裝的立體化是指，原來我們在凸塊上植球，形成銅柱，現在還可以在上面布線，布線意味著可以將兩塊芯片疊在一起，增加功能，是一種SIP（堆疊封裝）集成。

所以，線寬微縮可能會慢下來，但人的創造性無限，我相信技術會一直進步。

問：微縮工藝的下一步期望是什么？

答：從現在的技術路線圖，我們在邏輯方面，從7納米、5納米到3納米，大家已經看到3納米了，雖然沒有把它做出來，但是已經看到怎么做了。

實際上，從技術角度，解決方案都有，問題是要花多少成本/代價去實現它，這就變成摩爾定律成本的經濟學考量，要把成本降低到大家都能接受的程度。在可預見的將來，這是有可能發生的。例如3D NAND閃存，現在我們在講128層，但現在也有新技術出現。大家都在思考，去解決立體堆疊可能走到盡頭的問題。

多重曝光與EUV光刻

問：半導體制程的挑戰是什么？

答：提到摩爾定律向前的進步，是把晶體管越做越小。那么怎樣把小晶體管做出來呢？這種工藝一般叫作光刻工藝，就是在光刻時遮擋住一部分，其他的通過刻蝕拿掉。由于目前用的光的波長比較長，就很難把尺寸做得非常小，就像近視的人要想看得更清楚，就要想別的辦法。一種辦法是用EUV（極深紫外）使波長變得更短，但這項技術非常貴（約1億歐元），而且不成熟。

第二種辦法是通過創新性的方法來做。不就是為了把這條線刻出來嗎？刻這條線的時候也不一定非要留著它，所以現在的辦法就是多重曝光技術。比如想做兩條很細的線，但是曝光不出來這條線，所以就先曝光一條比較粗的線，例如先曝光一條20納米的線，在兩邊各沉積5納米的“墻”，隨后把中間的20納米拿掉，就剩下“墻”，就這樣得到了5納米的線。

這種方法有一個特點，首先對淀積的要求非常高，以前光刻機對均勻度要求沒那么高，比較容易達到。可是你做多重曝光淀積的時候，因為是一次性做出來的，所以對均勻度要求就更高了。 “墻”是5納米，如果做成5.5納米，“墻”就厚了。因此設備對均勻度的要求非常高。同樣，刻蝕的均勻度要求也非常高，怎么做到呢？首先是腔體設計方面，刻蝕采用等離子體，它就是一個氣流，氣流的均勻度要求非常高，晶圓的中間和邊緣要非常一致。因此，在晶圓腔體的設計上要做很多計算機的模擬，以把氣流均勻做好。

第二，還不能往下掉東西，這樣會影響良率。因此，對腔體的缺陷會有嚴格的控制。缺陷怎么來的呢}一方面等離子體會轟擊腔體的墻壁：第二.在刻蝕過程中，有一些副產品會淀積在上面，因此之后會再用等離子體把副產物去掉；腔體底下還有一個閥門，過程中不能產生粉塵，所以這是非常復雜的過程。傳統上，過去幾十年來，人們一直通過腔體設計逐步做改善，到現在發現它已經快走到瓶頸。以前的技術是被動的，比如引入氣流去調節，現在變成主動的，溫度高了以后就把它降下來，這是一項革命性的技術。例如可以通過調整，做到更好的均勻度。這是從刻蝕來看的一個進步。

類似在淀積、刻蝕、金屬鎢方面的進步還有很多。在金屬鎢淀積方面，就像你打一口1 0米深的井，下雪后，雪很難把井填完?，F在技術已變得很容易。但進一步，打井不算，井下還有橫著跑的地道，豎著橫著都得填滿。泛林集團（Lam Research）今天非常擅長這項技術，在金屬鎢淀積是99.7%的市場占有率。

問：您一直在講沉積和刻蝕，是不是可UA用這兩項技術結合來替代EUV光刻做不到的技木？

答：是的。通過這種方法可以突破目前光學分辨率的極限。目前14納米的FinFET基本都要用這項技術。

問：何時會用到EUV光刻？

答：從技術角度看，本來希望在十幾納米制程就用到，但因為技術出不來，所以就改用多重曝光。現在大家都認為在7納米時可以使用，當然不是全面應用，而是在某些特定的地方已經開始使用。可見，EUV引進的時間與原來希望的相比已經晚了很多。

問：晶圓設備市場有多大？

答：晶圓設備、半導體芯片和整個電子產業呈倒三角關系。據中國工業和信息化部電子科技情報研究所、社科文獻出版社發布的工業和信息化的藍皮書稱，全球電子行業整體約有價值兩萬億美元的市場規，而這其中，半導體集成電路行業占到了約3400億美元的規模，即17%左右的份額。在這17%份額中，用于晶圓廠設備的大約有340億美元，但因為市場一直在變化，比如今年設備業發展非常快，可能會超過400億美元。

中國制造市場

問：現在中國的半導休業正蓬勃發展，您對此有何看法和建議？

答：一個行業需要腳踏實地地做起來，政府有《國家集成電路產業發展推進綱要》來推動行業發展是非常好的，一方面咱們國家確實非常需要這個行業的發展；另一方面，半導體行業的投入巨大，如果沒有政府主動推動，讓它自然地發展是很困難的。事實也證明，自從2014年6月“綱要”發布至今，國內的半導體業發展這么快，主要原因就是政府推動的結果。

第二，半導體的特點是每個環節都不能偏廢，不能只做成熟的，或只做最先進的，其他的不做。既要兼顧最高精尖的技術發展，同時也要兼顧到市場的需求。對于國內企業來說，成熟技術可能挺多的，高精尖的部分有，但現在還沒有做到，例如臺積電開始做10納米了，7納米也要出爐了，那一塊的市場國內還沒有得到。所以我們要把缺失的部分趕上去，政府可以在其中起到助力。對于成熟的部分，市場就可以起到相當大的推動作用。

問：國內也有一些半導體設備商，您怎么看競爭？

答：從行業看，我們永遠歡迎大家都來參與到這個行業里；另外，有競爭才有發展。在高技術方面，我們更多的競爭是與一些國際大廠；在國內，在一些非核心、非關鍵的層次上有競爭。

實際上，競爭在任何一個行業都永遠存在，競爭讓我們進步。我們能做的，不是喜歡或者不喜歡競爭，而是把我們的本業做好，把我們的客戶照顧好。

例如國內企業在技術層面比國際最領先的企業往往還有一些差距，在存儲器方面剛起步。但是差距不是你想趕就能趕上的，需要很多具體的技術和細致的工作基礎。而泛林與全球先進的企業有合作關系，在這個過程中也積累了非常多的經驗，在跟國內客戶合作的過程中，可以把經驗和價值帶到合作關系中來。相信這種合作能夠加快客戶公司的技術發展，盡快減少差距，迎頭趕上，并為客戶帶來價值。endprint