集成电路产业能够不断发展离不开三方面的进步

2017-01-20 07:28

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导读：集成电路产业能够不断发展离不开三方面的进步。简言之，摩尔定律就是技术进步带来生产效率提升和生产成本的下降。过去半个世纪，集成电路产业基本上是按照摩尔定律不断发展。

集成电路产业能够延续摩尔定律的不断发展，离不开三方面的进步：1）半导体器件结构和原理的进步；2）半导体设备制造能力的提升和半导体制造工艺的改进；3）材料性能的改善和新材料的应用。

1) 摩尔定律接近极限，超越摩尔引起重视

简言之，摩尔定律就是技术进步带来生产效率提升和生产成本的下降。过去半个世纪，集成电路产业基本上是按照摩尔定律不断发展。业界普遍认为集成电路产业发展到5nm技术节点时，将达到摩尔定律的物理极限，摩尔定律有可能将失效。今年半导体产业将进入10nm 制程，已经趋于接近摩尔定律的物理极限，延续摩尔定律的先导技术研究成为全球半导体行业的热点，后摩尔定律时代的技术也成为研究的热点。

摩尔定律与超越摩尔

全球集成电路技术的发展呈现出以下趋势：一是延续摩尔定律（MoreMoore），芯片特征尺寸沿着不断缩小的方向继续发展。基于投资规模和技术研发成本的考虑，放弃超小型化制造技术的芯片厂商日益增多，转向Fablite 或Fabless，高阶制程将掌握在少数几家企业手中，芯片制造呈现聚拢趋势；二是超越摩尔定律（MorethanMoore），开发新的半导体材料，运用电子电路技术和电路设计等的概念，在物理结构和器件设计方面产生新的突破，如三维封装、3D 晶体管结构等。

2) 半导体产业进步离不开半导体设备的不断创新

按照摩尔定律，每18-24 个月集成电路的制造技术就要进步一代，那么设备厂商就必须每18-24 个月推出更先进的制造设备，以满足制造工艺的需求。以光刻机为例，光刻机历经50 多年的发展，其分辨率从最初大于10 微米发展到如今的10 纳米及以下，分辨率至少提升了3 个数量级。

光刻机的分辨率主要取决于曝光光源的波长和镜头光学系统的数值孔径NA。为了实现技术的进步，光刻机经历了以下几个方面的进步：1）曝光光源的波长经历了514nm、436nm（g-Line）、405nm（H-Line）、365nm（i-Line）、248nm（KrF）、193nm（ArF）、157nm（F2）、13.5nm（EUV，即将大规模使用）等几个阶段的进步；2）曝光方式经历了接触式（Contact）、接近式（Proximity）、投影式（Projection）三种方式，其中投影式又可分为步进式（Stepper）、扫描式（Scanner）、扫描步进（Scanning Stepper）三种形式；3）干式投影发展到浸没式投影；4）加工硅片的直径：经历了75mm、100mm、150mm、200mm、300mm，以及未来的450mm；5）产出效率：由最初的一小时不足50 片Wafer 到现在超过200 片。

光刻机的价格呈上升趋势

技术的进步，也带动光刻机产品单价的持续上涨。根据SEMATECH 的研究，1970 年代，光刻机的单价在几十万美元，并且约每4.4 年价格翻一倍。目前，先进光刻机的单价一般都超过1000 万美元，而最先进的EUV 光刻机单价超过5000 万美元。EUV 是实现10nm 以下工艺制程的最经济手段，不过当前技术还不够成熟，且只有只有ASML一家供应商具备开发EUV 光刻机的能力。2012 年半导体三巨头英特尔、台积电、三星分别投资阿斯麦33.67 亿欧元、11.14 亿欧元、7.79 亿欧元，用于帮助ASML 开发EUV技术，并获得ASML 的部分股权。三巨头投资ASML 的主要原因是推动EUV 技术快速实现量产，以及EUV 设备的优先购买权。

3) 半导体行业使用的材料种类越来越多

随着半导体器件结构的变化和半导体制程复杂程度的提高，在半导体产业采用的化学元素越来越多。在1985 年，化学元素周期表中只有11 种元素用于半导体行业。而到了2015 年，半导体行业使用的化学元素种类达到49 种。除了材料种类的增多，半导体材料也随着半导体制程的进步而不断发展。

半导体产业使用的化学元素种类越来越多

硅（Si）是目前最重要的半导体材料，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底功能材料而生产出来的。在可预见的未来，还没有其它材料（如石墨烯等）可以替代硅的地位。在1960 年时期就有了0.75 英寸(约20mm)左右的单晶硅片。在1965 年左右Gordon Moore 提出摩尔定律时，还是以分立器件（Discrete）为主的晶体管（Transistor），然后开始使用少量的1.25 英寸小硅片，进而集成电路用的1.5 英寸硅片更是需求大增。之后，经过2 英寸，3 英寸， 1975 年4 英寸登场开始在全球普及，接下来5 英寸，6 英寸，8 英寸，然后从2001 年开始进入12 英寸。预计在2020 年左右，18 英寸（450mm）的硅片将开始投入使用。

此外，还出现了新的硅材料——SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅），SOI技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。

SOI 材料具有以下突出优点：1、低功耗；2、低开启电压；3、高速；4、提高集成度；5、与现有集成电路完全兼容且减少工艺程序；6、耐高温；7、抗辐照等。基于SOI 结构上的器件在本质上可以减小结电容和漏电流，提高开关速度，降低功耗，实现高速、低功耗运行。作为下一代硅基集成电路技术，SOI 广泛应用于微电子的大多数领域，同时还在光电子、MEMS 等其它领域得到应用。