一提到芬蘭,你第一個聯(lián)想到的是什么?曾經(jīng)執(zhí)掌全世界“手機帝國”的諾基亞,還是風(fēng)靡全球的憤怒鳥游戲,抑或是圣誕麋鹿的故鄉(xiāng)。
無論是諾基亞、憤怒鳥,或是麋鹿,應(yīng)該很少人會聯(lián)想到芬蘭也有半導(dǎo)體材料供應(yīng)商。
在芬蘭的赫爾辛基有一家非常前瞻的半導(dǎo)體材料供應(yīng)商 PiBond,一直致力于半導(dǎo)體材料的研發(fā),主要是在于實現(xiàn)光刻技術(shù)的簡化流程,在許多半導(dǎo)體工藝節(jié)點上已經(jīng)開始采用。
隨著工藝技術(shù)朝5nm 以下工藝節(jié)點演進(jìn),PiBond 也研發(fā)出全新用于極紫外光(EUV)的創(chuàng)新材料:無機光刻膠技術(shù),而無機光刻膠技術(shù)在臺積電5nm 以下的極紫外光EUV 工藝流程中,已經(jīng)被視為是材料的一大創(chuàng)新。
值得注意的是,一般半導(dǎo)體工藝中,普遍用的有機光刻膠大概從 90nm 工藝之后就一直被使用著。不過,半導(dǎo)體工藝進(jìn)入 20nm 以下的 FinFET 結(jié)構(gòu)世代,很多材料都陸續(xù)更新。
尤其到了 5nm 工藝節(jié)點,由于圖形分辨率的高度需求,光刻出來的圖像必須精準(zhǔn)和清晰,不然會影響到之后的刻蝕等工藝步驟,因此在一些特殊應(yīng)用層上,必須開始轉(zhuǎn)換材料,使用無機光刻膠,這也是 5nm 技術(shù)世代后,半導(dǎo)體材料的一大革新。
除了光刻膠技術(shù)與產(chǎn)品,PiBond 提供的半導(dǎo)體關(guān)鍵材料也用于 CIS、MEMS、3D IC、邏輯、存儲器等芯片制造流程,像是提供光刻膠用于 65nm 以下,尤其是 28nm 工藝節(jié)點上圖像轉(zhuǎn)移的輔助材料,還有二氧化硅的替代應(yīng)用材料、后段封裝材料等。
舉例,半導(dǎo)體廠在先進(jìn)工藝技術(shù)上,有些像是臺積電采用的三層結(jié)構(gòu)光刻膠 tri-layers,或是三星采用的四層結(jié)構(gòu) Quad-layers,PiBond 也提供這樣工藝技術(shù)中,其中幾層的光刻膠材料。
無機光刻膠這樣的材料,在 5nm 技術(shù)上已經(jīng)在幾個特殊層上開始使用,半導(dǎo)體工藝技術(shù)越往下發(fā)展,無機光刻膠使用會更多。
全球能提供無機光刻膠的供應(yīng)商只有兩家,芬蘭的 PiBond 和美國的 Inpria,如此創(chuàng)新材料是推進(jìn)半導(dǎo)體工藝不斷往下發(fā)展的關(guān)鍵。
光刻膠市場為外商把持
PiBond 是一家非常特殊的芬蘭材料商,總部在赫爾辛基附近。過去在大家認(rèn)知中,光刻膠的供應(yīng)商都是美國、日本、韓國等, 像是陶氏化學(xué)、 JSR 株式會社、信越化學(xué)、東京應(yīng)化工業(yè)、 Fujifilm、韓國東進(jìn)等,或是德國默克這樣的歐洲化工巨頭,很少人知道芬蘭也有一家半導(dǎo)體關(guān)鍵工藝的關(guān)鍵材料商。
PiBond 在芬蘭的生產(chǎn)基地約 3000 平米,年產(chǎn)能約 100 噸,但可以擴充至 200 噸的年產(chǎn)能規(guī)模,目前潔凈室是 Class 10 和 100 等級,也有 EUV 專用的 Class 3 和 4 等級的潔凈室。
在專利累積上,公司目前已經(jīng)有 71 個專利,其中 48 個專利已經(jīng)申請完成,其他的還在申請中,也包含 EUV 的無機光刻膠相關(guān)專利。
摩爾定律總是柳暗花明又一村
早在 20 年前,每隔幾年就有業(yè)界大佬提出警語,認(rèn)為摩爾定律的終點就在不遠(yuǎn)處。
20 年過去,人類的創(chuàng)新力和智力是如此的令人驚嘆,摩爾定律總是看似“山窮水盡已無路,柳暗花明又一村”,就這樣走著走著,人類已經(jīng)來到了 5nm 工藝世代, 3nm 工藝技術(shù)更是在眼前,這絕對是 20 年前的半導(dǎo)體人很難想像的一日。
也因為 20 年前,不會有人想到AI技術(shù)的進(jìn)展會顛覆人類的生活型態(tài),甚至取代我們的工作; 短短幾秒鐘的時間就可以下載一部影片; 自動駕駛汽車的世界更在不遠(yuǎn)的將來; 我們的生活四周更是處于萬物互聯(lián)的時代。
AI、5G、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)都是創(chuàng)新的需求,甚至可以說是從無到有,這背后是靠全球半導(dǎo)體大廠、設(shè)備業(yè)者的重金投入研發(fā)技術(shù),來推進(jìn)摩爾定律的壽命。
且發(fā)展至此,實現(xiàn)芯片微縮已經(jīng)不是唯一的目的,如何提升性能、降低成本,把功耗減少,延長電力的續(xù)航力更是至關(guān)重要。
自從英特爾的 10nm 難產(chǎn)多年,臺積電每年超過 100 億美元的資本投入,已經(jīng)超越英特爾成為全世界推進(jìn)摩爾定律最關(guān)鍵的公司。
這當(dāng)中,也不能抹去“宿敵”三星的一路追趕,從 14/16nm、10nm、7nm 就一路和臺積電較量,三星在 14nm 拿下臺積電大客戶高通訂單,在 7nm 搶著導(dǎo)入極紫光外光(EUV)技術(shù),都是為了與臺積電一較高下,這樣的競技在 5nm 也是會持續(xù)上演。
臺積電已經(jīng)在 2019 年成功試產(chǎn) 5nm 工藝技術(shù),預(yù)計 2020 年將開始大量生產(chǎn) 5nm。臺積電內(nèi)部對于 5nm 工藝有高度重視性,認(rèn)為是基于 7nm 微縮的下一個完整技術(shù)。
三星當(dāng)然也會有 5nm 技術(shù)的問世,但光是看晶體管密度的增加,三星從 7nm 到 5nm 晶體管密度只有多 20%~30%,臺積電卻整整多出 80%,兩大巨頭 5nm 還未真正量產(chǎn),但技術(shù)領(lǐng)先者已經(jīng)不言而喻。
但三星也放話正在研發(fā)環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)(gate all around,GAA)技術(shù)的 3nm 工藝,預(yù)計可以在 2021 年量產(chǎn),目標(biāo)是領(lǐng)先臺積電一年,且指出其 3nm 產(chǎn)品會比當(dāng)前的 7nm 工藝產(chǎn)品效能再提升 35%,功耗也再降低 50%,芯片面積再減少 45%。
可以預(yù)見,走到 10nm 工藝技術(shù)以下,大家為摩爾定律續(xù)命是想破腦袋,各界也都認(rèn)可,材料的創(chuàng)新會是最關(guān)鍵的一環(huán),這個狀況走到極度高端的 5nm、3nm 會是關(guān)鍵。
如果僅是沿用過去的材料基礎(chǔ),工藝技術(shù)的演進(jìn),很難有柳暗花明又一村的機遇。
由此可見,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)下一個戰(zhàn)場,材料絕對是最吸睛的領(lǐng)域,但這一塊多為外商把持,參與者有化學(xué)巨頭,更不乏小而美的細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)供應(yīng)商,國內(nèi)業(yè)界要在材料領(lǐng)域有所突破,與外商合作,進(jìn)行技術(shù)合作研發(fā),會是切入這塊高壁壘技術(shù)領(lǐng)域的不二法門。