每年七月在美國加州舉行的Semicon West展覽會是全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備與材料展覽會之一,。由于展覽會在七月舉行,，正好上半年已過,，所以在會議期間許多高管會對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與前景發(fā)表看法,。本文試圖綜合展覽會與產(chǎn)業(yè)于上半年的進(jìn)展加以概括,，討論一些業(yè)界特別關(guān)注的課題,。
半導(dǎo)體業(yè)增長沒有懸念
前兩個季度半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的變化向減弱方向發(fā)展,，不過保持增長應(yīng)該是沒有懸念,，增長多少需要視未來的市場需求而定,。
全球半導(dǎo)體業(yè)如戲劇般在改變，2010年是國際金融危機之后的首個高增長年,，增幅達(dá)32%,。剛進(jìn)入2011年，業(yè)界首先理性地認(rèn)為今年不可能持續(xù)如此高的增長,，但是在慣性的推動下以及終端電子產(chǎn)品如智能手機與平板電腦市場依然火爆的情形下,，年初時各家分析機構(gòu)基本上預(yù)測2011半導(dǎo)體業(yè)增長在2%～10%之間。
隨著兩個季度的過去,，情況出現(xiàn)了一點變化,，除了3月時受日本強地震影響之外，目前主要是受全球經(jīng)濟大環(huán)境的拖累,，如美國經(jīng)濟復(fù)蘇緩慢,、失業(yè)率居高不下，歐債危機未見平息等,。IHS iSuppli最新研究數(shù)據(jù)顯示,，由于產(chǎn)業(yè)重建庫存和為預(yù)期中的需求增長做準(zhǔn)備，第二季度芯片供應(yīng)商的半導(dǎo)體庫存水平連續(xù)第七個月上升,。
每年正常的Q3是傳統(tǒng)的旺季,，如今卻因全球經(jīng)濟困境導(dǎo)致消費者的信心指數(shù)下降,，可能會出現(xiàn)旺季不旺的反常現(xiàn)象,，所以近期許多市場分析機構(gòu)與公司開始紛紛調(diào)低今年半導(dǎo)體增長的預(yù)期，如卡內(nèi)基公司的Bruce Diesen在5月時預(yù)測增長率為5%,，至7月時下調(diào)為3%,；Gartner在Q1時預(yù)測增長率為6.2%，而至6月時下調(diào)為增長5.1%,；唯有IHS iSuppli公司在4月時預(yù)測增長率為7.0%,，而至6月時上調(diào)為7.2%。
以上僅反映兩個季度過去半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的變化向減弱方向發(fā)展,，不過總體上產(chǎn)業(yè)基本面仍是正常,，如今年半導(dǎo)體設(shè)備的投資從去年的385億美元增加到今年的443億美元，增幅達(dá)12%,。而終端電子產(chǎn)品市場仍相當(dāng)有活力,，如2011年消費性電子產(chǎn)品的市場成長率將達(dá)5.6%，高于美國2.4%的GDP成長率,。2012年消費性電子產(chǎn)品的營收將繼續(xù)攀升,，預(yù)計會達(dá)到1970億美元。2011年,，包括蘋果iPad及其對手在內(nèi)的平板計算機銷售量,，將達(dá)到2650萬臺，這將為各裝置廠商產(chǎn)生140億美元的營收,；智能型手機的銷售額將比2010年同期增加45%,，達(dá)230億美元。
而在目前消費性電子產(chǎn)品中,，平板電視的銷量則有下滑趨勢,。研究顯示，88%的美國家庭至少擁有一臺數(shù)字電視機,。正是由于如此高的普及率,，2011年電視的銷量將出現(xiàn)下滑，但營收仍將超過180億美元,。
IDC最近公布了它的最新預(yù)測,，半導(dǎo)體市場規(guī)模將由2010年的2820億美元增長到2011的3030億美元，增長7.4%,，并預(yù)測2012年再增長5%達(dá)3180億美元,，在2010～2015年期間半導(dǎo)體的年均增長率達(dá)6%。依分類計,，計算機類IC的CAGR為4%～5%,，通信類為7%,，消費類為5%。
因此今年全球半導(dǎo)體業(yè)增長應(yīng)該是沒有懸念,，增長多少需要視未來的市場需求而定,。
驗證大者恒大定律
并購使這個市場上出現(xiàn)“巨頭”，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“大者恒大”的定律將再次被驗證,。
“縱觀芯片產(chǎn)業(yè)歷史,，凡是在恰當(dāng)時機抓住機會的公司都獲得了很好的發(fā)展。”今年5月德州儀器(TI)以65億美元的高價兼并美國國家半導(dǎo)體(NS)讓所有人的眼球一亮,。該交易不僅是TI歷史上金額最高的一筆并購,，也是2006年以來金額最高、規(guī)模最大的芯片行業(yè)并購交易,。巧合的是,，幾乎同一時間，TI的競爭對手英飛凌也以1.006億歐元收購奇夢達(dá)位于德國的12英寸晶圓廠,。有關(guān)芯片廠商“規(guī)?；?rdquo;的議題再次被提起。
彭博社的數(shù)據(jù)顯示：過去一年,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)生196樁并購交易,，這些交易的平均規(guī)模為1.298億美元。與之相比,，TI所支付的差價相當(dāng)于平均值的4倍以上,。業(yè)界評論TI對NS的收購無疑將此輪擴張推向頂峰。
根據(jù)Databeans的報告,，2010年全球模擬半導(dǎo)體市場的規(guī)模為420億美元,。TI在該產(chǎn)品線領(lǐng)域營收達(dá)到59.8億美元，占有全球市場14%的份額,。而2010年NS的收入約為16億美元,，市場份額為3%。
長期以來,，TI與NS一直是競爭對手,，兩家公司每家都有其獨特競爭優(yōu)勢。TI有3萬種模擬產(chǎn)品,、廣泛的客戶影響力以及業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的制造技術(shù),，包括世界上第一個12英寸模擬芯片生產(chǎn)工廠。NS有1.2萬種模擬產(chǎn)品,，特別在工業(yè)市場占據(jù)強勢地位,。以2010年銷售額合并計算，TI將因此取代東芝成為全球第三大半導(dǎo)體公司。
對芯片廠商特別是代工廠來說,，“規(guī)?；?rdquo;并不是個新概念。過去兩年中,，半導(dǎo)體業(yè)這種“合縱連橫”的趨勢尤為明顯,。日本芯片巨頭NEC與瑞薩科技合并，阿布扎比ATIC公司和AMD合資成立Global Foundries,。2010年1月,，Global Foundries又完成了對新加坡特許半導(dǎo)體的兼并。
不過,，大規(guī)模并購在模擬芯片市場卻很少發(fā)生。有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,，并購使這個市場上出現(xiàn)“巨頭”,，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“大者恒大”的定律將再次被驗證。
“在當(dāng)前的市場情況下保持領(lǐng)先有三個重要方面,。”TI的CEO Templeton說,，“產(chǎn)品技術(shù)、低成本快速制造能力以及覆蓋全球的技術(shù)服務(wù)體系,，一些公司可能只在某方面做得很強,，但是同時具備這三個條件的不多，這也是TI能夠持續(xù)發(fā)展的原因,。”
工藝技術(shù)進(jìn)入22nm節(jié)點
半導(dǎo)體工藝技術(shù)至今仍是按摩爾定律進(jìn)步,，2011年可進(jìn)入22nm節(jié)點，進(jìn)入下一個節(jié)點的時間尚難預(yù)料,。
英特爾已經(jīng)公布它的路線圖,，兩年之后，英特爾將以14nm節(jié)點生產(chǎn)芯片,，然后在2015年以10nm工藝生產(chǎn)芯片,。最后，英特爾計劃在2017年生產(chǎn)其第一款7nm芯片,。
英特爾的22nm三柵(tri gate)晶體管技術(shù)具里程碑意義,，預(yù)示半導(dǎo)體技術(shù)將向3D過渡。
因為按照ITRS半導(dǎo)體工藝路線圖,，在2007年45nm節(jié)點時,，英特爾就發(fā)布了高k/金屬柵技術(shù)，可以看作是晶體管組成材料的一次革新,，用高k材料來替代傳統(tǒng)的SiO2,，讓定律又延伸了10年～15年。今年5月英特爾又發(fā)布3D晶體管結(jié)構(gòu)，使傳統(tǒng)的晶體管二維結(jié)構(gòu)變成三維,，應(yīng)該是半導(dǎo)體工藝技術(shù)中又一次重大的革命,。
業(yè)界對于英特爾將采用的技術(shù)節(jié)點也有諸多猜測。英特爾的22nm制程將基于英特爾的第三代high-k/金屬柵方法,，它使用銅互連,、low-k技術(shù)。與32nm相同,，英特爾采用193nm浸液式光刻技術(shù),。
英特爾的22nm的3D晶體管技術(shù)，性能相比40nm高40%,，功耗省30%,，其工藝成本僅上升2%～3%，而采用SOI工藝要上升10%,。另外可實現(xiàn)100%的電池續(xù)航能力,，預(yù)期2011上半年開始試生產(chǎn)。
據(jù)英特爾最新報道,，22nm產(chǎn)品于今年投產(chǎn),，14nm廠房正加大投資加緊建設(shè)，不久就會接到14nm設(shè)備的訂單,，未來半導(dǎo)體技術(shù)可達(dá)7nm節(jié)點,。
臺積電年內(nèi)28nm工藝規(guī)模量產(chǎn)，將于今年底正式開始生產(chǎn)基于28nm工藝的晶圓,。臺積電稱,，公司計劃于2011年Q3某個時候開始導(dǎo)入28nm制造工藝的商業(yè)化生產(chǎn)，而到2011年Q4時,，28nm晶圓帶來的營收貢獻(xiàn)比率將達(dá)到2%～3%左右,。
與當(dāng)初升級到40nm制造工藝時相比，臺積電本次升級28nm制造工藝是無論在產(chǎn)能提升還是在良品率改善方面都會更為順利,，因為當(dāng)初升級40nm制造工藝的時候臺積電是需要設(shè)備升級的,，而本次28nm制造工藝升級臺積電似乎已完成了新設(shè)備的調(diào)試。
三星2010年4月開始量產(chǎn)27nm NAND Flash,，開啟全球20nm等級制程的時代,，經(jīng)過15個月，三星即發(fā)展到21nm產(chǎn)品,，展示其獨步全球的技術(shù)水準(zhǔn),。
另外，東芝于今年7月底將在日本三重縣八日市fab 5半導(dǎo)體廠中,，以19nm制程量產(chǎn)NAND Flash,，目前東芝主要量產(chǎn)24nm制程產(chǎn)品。海力士在技術(shù)競爭中也不落人后，將于2011年第四季度以20nm制程量產(chǎn)NAND Flash,。
EUV是未來光刻必然趨勢
除了EUV技術(shù)之外,，還有無掩膜的多束電子束光刻及納米印刷等多種候選技術(shù)，未來進(jìn)展取決于性價比,。
推動半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步的兩個輪子,，一個是特征尺寸縮小，另一個是硅片直徑增大,。毋庸置疑,，尺寸縮小總是占先。近日英特爾公布22nm的3D技術(shù)開發(fā)成功,，表明一直前景不明的16nm技術(shù)可能會提前導(dǎo)入市場,。
影響尺寸縮微的光刻技術(shù)，目前是一直沿用更短的曝光波波長,，如ArF光源,，振蕩波長為193 nm。由于EUV(極紫外線光刻)技術(shù)的多次推遲,，使得193nm光學(xué)光刻方法發(fā)揮到淋漓盡致。如從193nm干法到濕法,，一直到工藝繁復(fù)與成本增加的雙重圖形技術(shù),。
業(yè)界早在2008年時就認(rèn)為光學(xué)光刻已快到盡頭，22nm是終點,，之后必須要采用波長為13.4nm的EUV技術(shù),。盡管EUV可能是下一代光刻的候選者，但是EUV已經(jīng)被多次推遲,，原因是還有些問題沒有解決,，包括缺乏合適光源(功率不夠)及EUV掩膜用的pellicle。此外還有經(jīng)濟因素,，如每臺設(shè)備價格高達(dá)1.25億美元,，以及設(shè)備的每小時硅片產(chǎn)出問題。
除了EUV技術(shù)之外,，還有無掩膜的多束電子束光刻及納米印刷等多種候選技術(shù),，未來進(jìn)展取決于哪一種技術(shù)的性價比更高。
目前全球EUV與無掩膜電子束光刻設(shè)備的進(jìn)展如下：
Nikon提出它的最新光學(xué)系統(tǒng)621D,，套刻精度2nm/3sigma,。它的開發(fā)型EUV-1的NA為0.25，未來推出生產(chǎn)型EUV-HVM時NA為0.4,。
ASML設(shè)定它的EUV路線圖,，其開發(fā)型NXE3100的NA為0.25，如果光源能量在硅片表面上達(dá)到15毫焦耳/cm2時，每小時可達(dá)125片,。ASML目前已有三臺設(shè)備在客戶端作測試,，第四臺正在安裝，并預(yù)測到2012年底前可出貨10臺,。由于全球EUV光源的供應(yīng)商包括Cymer,、Gigaphoton及Ushiro，另有新興廠XTtreme,。ASML公司對于它的EUV光源供應(yīng)商選擇尚未作最后決定,。
另一家Mapper公司正在開發(fā)無掩膜的多束電子束光刻機。它的第一代機1.1在25nm時每小時產(chǎn)出1片,，已發(fā)貨給法國的研發(fā)機構(gòu)Leti,，明年將再發(fā)貨給TSMC。該公司計劃利用集束電子束把產(chǎn)能提高到每小時10片,，以及最終在16nm時實現(xiàn)每小時100片,。Mapper的優(yōu)勢在于它的每臺設(shè)備的價格及產(chǎn)能，目標(biāo)是每臺設(shè)備為500萬歐元,，與EUV價格相比僅為其零頭,。
另一家EUV光源供應(yīng)商Xtreme，它采用激光放電等離子技術(shù),。光源裝置包括兩個裝有液態(tài)錫的輪,，在10000Hz下放電產(chǎn)生激光脈沖(未來量產(chǎn)裝置高達(dá)10萬Hz)。光源的重量可重達(dá)8噸,，為了防止錫污染,，聚光鏡四周裝有屏蔽罩。Xtreme的Marc Corthout認(rèn)為實際上光源能達(dá)到工藝要求所需的功率,。
比利時的IMEC認(rèn)為EUV是未來光刻的必然趨勢,。從全球互聯(lián)網(wǎng)的需求出發(fā)，一定會促使邏輯或存儲器客戶采用它,。EUV的三個關(guān)鍵是設(shè)備,、掩膜與光刻膠，目前已被確認(rèn)都是可實行的,。盡管如此目前EUV的主要挑戰(zhàn)仍是光源,，預(yù)計真正采用可能是在11nm工藝導(dǎo)入左右。
IMEC于2011年3月導(dǎo)入了曝光裝置單機和EUV光源,，并開始在研究設(shè)施內(nèi)進(jìn)行了調(diào)整和整合測試?，F(xiàn)在已與東電電子(TEL)的涂布顯影裝置“Lithius Pro”連接。IMEC表示：“吞吐量為ASML公司曝光工藝評測用EUV曝光裝置的20倍,，計劃在2012年初期實現(xiàn)100W的光源輸出功率和60張/小時的吞吐量,。”在重疊精度方面,，此次成果具有達(dá)到目標(biāo)值4nm以下的潛在能力。分辨率在使用偶極照明時可達(dá)到20nm以下,，對于IMEC的目標(biāo)——2013年確立分辨率達(dá)到16nm的量產(chǎn)技術(shù)來說,，此次成果具有里程碑的意義。
業(yè)界對于EUV的前景仍有疑慮,，明年是關(guān)鍵,。盡管如此，EUV與一年之前相比已經(jīng)大有改善,，可能有兩臺設(shè)備將進(jìn)入量產(chǎn)前的準(zhǔn)備階段,。
可以肯定業(yè)界采用傳統(tǒng)的光學(xué)光刻設(shè)備是最為經(jīng)濟的，但也總有盡頭,，尤其當(dāng)尺寸越來越小時,，由于成本太高愿意跟蹤的廠商數(shù)量會越來越少，將導(dǎo)致未來經(jīng)濟可行性差,，因此有人對于在11nm時EUV才能導(dǎo)入提出質(zhì)疑,。
推動450mm硅片迅速過渡
成本下降是決定450mm硅片成功的關(guān)鍵，只有使芯片制造商與設(shè)備制造商同時實現(xiàn)雙嬴,，才能持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展,。
有關(guān)450mm硅片過渡在業(yè)界一直爭論不休。到今天為止持積極態(tài)度的已有三家,，分別是英特爾,、臺積電及三星，其中臺積電的態(tài)度似乎更明朗一些,。如臺積電營運暨產(chǎn)品發(fā)展副總秦永沛曾談到有關(guān)18英寸晶圓廠計劃，重申臺積電預(yù)定2013年～2014年建立試產(chǎn)線,，2015年～2016年在臺中廠量產(chǎn),，18英寸晶圓生產(chǎn)從環(huán)保、經(jīng)濟上來看,，都會比12英寸廠更有效率,。
業(yè)內(nèi)對于18英寸、450mm硅片過渡持另一種觀點是應(yīng)用材料公司為首的一批設(shè)備供應(yīng)商,。理由也十分清晰,，開發(fā)450mm設(shè)備的費用約為200億美元，由誰來承擔(dān),？另一方面更為實際,，即未來有多少訂單可用來提高投資的回報率。
然而,，由于近期產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步已使雙方的觀點越來越接近,。如應(yīng)用材料公司總裁Mike Splinter在其今年Q2的總結(jié)會上已公開表示,，在2012年公司要加大450mm設(shè)備的研發(fā)投資力度，表明應(yīng)用材料公司已經(jīng)看出450mm硅片是大勢所趨,，作為全球半導(dǎo)體設(shè)備的領(lǐng)頭羊,，不能再有絲毫的遲疑，只有積極的跟進(jìn)才是未來的生存之道,。
如今對于向450mm硅片的過渡,，持懷疑者已不多見，然而誰是真正首批的推進(jìn)者,，以及在什么時間過渡可能尚存有不同的看法,。
因為理想的演變過程應(yīng)該是剛開始時有2～3家公司建立450mm試制生產(chǎn)線，然而在芯片制造成本下降的誘因下迅速過渡到量產(chǎn)生產(chǎn)線,，與之前由200mm向300mm硅片過渡的過程幾乎相同,。由于在相同工藝條件下，450mm生產(chǎn)線的運作成本大約與300mm相比僅增加30%,，但是由于硅片面積增大2.25倍,，導(dǎo)致最終芯片的制造成本下降，由此將激發(fā)產(chǎn)能擴充,，以及更多的廠投入450mm硅片(估計全球有10家以上),。這樣的過程導(dǎo)致450mm硅片的市場占有率將由小至大，如目前300mm硅片占總硅片出貨量已超過60%,。因此向450mm硅片過渡的關(guān)鍵在于成本下降,，而且必須同時使芯片制造商與設(shè)備制造商實現(xiàn)雙贏。
至于450mm硅片的過渡時間點,，臺積電選擇在2015年～2016年,，也即22nm～16nm的量產(chǎn)階段，可能業(yè)界存在不同的看法,。因為由200mm向300mm硅片過渡時,，原先估計在250nm節(jié)點，實際上推遲到130nm節(jié)點,，英特爾在2002年首次建12英寸生產(chǎn)線,。因此未來450mm硅片的配套產(chǎn)業(yè)鏈將成為制約因素，導(dǎo)致業(yè)界產(chǎn)生有不同看法是完全正常的,。
從應(yīng)用材料公司角度,，從1996年開始就研發(fā)300mm設(shè)備。原來以為在2000年左右就會有大量的訂單到手,，實際上由于遇到2001年的網(wǎng)絡(luò)泡沫,，導(dǎo)致實際上全球300mm設(shè)備推遲到2003年才稍有起色，所以公司的獲利點被推遲了3～4年,，這樣的歷史教訓(xùn)在向450mm過渡時不可能完全被忘卻,。
應(yīng)用材料公司總裁Mik Splinter近期在回答分析師提問有關(guān)450mm設(shè)備進(jìn)程時,，認(rèn)為目前尚有大量的工作要做，如設(shè)備的自動化與腔體設(shè)計等,，但是2012年公司肯定會加大投資力度,。然而由于還不太清楚客戶究竟什么時候會下訂單，所以什么時候能夠提供樣機尚不好說,。不過有些廠家正考慮在2015年～2017年要實現(xiàn)450mm硅片的量產(chǎn),。
成本下降是決定450mm硅片成功的關(guān)鍵，然而這是指芯片的制造成本,，不僅與設(shè)備有關(guān),，還與配套的產(chǎn)業(yè)鏈有關(guān)。相信只有使芯片制造商與設(shè)備制造商同時實現(xiàn)雙贏,，才能持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展,。因此未來向450mm硅片過渡，估計要比向300mm硅片過渡更為復(fù)雜與困難,，可能周期會更長一些,。
總體上450mm硅片是大勢所趨，業(yè)界己有共識,。然而何時真正的開始過渡,，以及全球有多少廠家愿意出資70億美元～100億美元投資建廠尚有待觀察，這也是目前似乎存有不同觀點的癥結(jié)所在,，因為可能只有銷售額達(dá)到或接近200億美元的企業(yè)才能夠支持得起如此巨額的持續(xù)投資,。(特約撰稿 莫大康)
