未來十年摩爾定律效應(yīng)遞減，為中國半導(dǎo)體廠營造追趕機會

問世 50 年的摩爾定律是支撐全球近 5,000 億美元半導(dǎo)體產(chǎn)值的最大依歸，然摩爾定律是否已經(jīng)走上末路？是近幾年來半導(dǎo)體人最熱衷論戰(zhàn)的話題。

日前，摩根大通發(fā)布一份報告，揭露 ASML 有能力支撐工藝技術(shù)到 1.5 納米節(jié)點，讓摩爾定律續(xù)命至 2030 年，再度將該定律的“生命年限”推至風(fēng)口浪尖上，因為當(dāng)中攸關(guān)全球每一家半導(dǎo)體企業(yè)的競爭年限。

全球很少有這樣的一家公司：某項產(chǎn)品市占率在全球高達(dá) 100%，前三大客戶族群是英特爾、臺積電、三星這樣的超級大企業(yè)，當(dāng)公司的新技術(shù)開發(fā)需要資金時，客戶都毫不猶豫地從口袋掏出錢來投資，深怕該技術(shù)斷炊，但是，從來沒有人會指控這家公司有“壟斷”的疑慮。

這家公司就是手上掌握著續(xù)命摩爾定律核心技術(shù)的ASML，其極紫外光（EUV）光刻機的開發(fā)成功，讓英特爾、臺積電、三星這三家半導(dǎo)體巨擘得以順利朝 10 納米、 7 納米、 5 納米工藝節(jié)點前進(jìn)，都很怕 ASML 的 EUV 技術(shù)研發(fā)不出來，半導(dǎo)體技術(shù)制程的推前因此而停擺！

5 年前 ASML 提出一個客戶入股投資計劃來為研發(fā) EUV 光刻機籌資，三大客戶英特爾、臺積電、三星全都買單，沒有一家敢說不 ! 一來怕 ASML 的 EUV 光刻機技術(shù)研發(fā)不出來，二來更怕 ASML 的新光刻機技術(shù)研發(fā)出來了，但因為自己沒參與投資，讓競爭對手撿個便宜。

摩爾定律運行長達(dá) 50 年，是全球 5,000 億美元半導(dǎo)體產(chǎn)值的根基

所謂的摩爾定律是由英特爾公司創(chuàng)辦人之一的戈登·摩爾提出，1 顆芯片上可容納的晶體管數(shù)目每隔 18～24 個月便增加 1 倍，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)依循著這個邏輯運行50 年，創(chuàng)造出全球?qū)⒔?,000 億美元的產(chǎn)業(yè)價值。

2015 年，摩爾定律歡慶 50 周年，摩爾本人在接受 IEEE 期刊《Spectrum》專訪中透露，當(dāng)年他在發(fā)表摩爾定律的文章時，只是想分享趨勢觀察，沒想到該理論后來變成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的定律。而后人陸續(xù)將摩爾定律解讀為是一種經(jīng)濟定律，它并不是一個非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)鐵律。

為什么摩爾定律是一種經(jīng)濟定律？我們這樣解釋，很多人說若 ASML 的 EUV 光刻機沒有成功研發(fā)，摩爾定律就會因此失效？其實 7 納米工藝以下如果不采用 ASML 的 EUV 光刻機，在技術(shù)上仍是可繼續(xù)生產(chǎn)制造 7 納米工藝，可以用多重曝光（Multi-Pattering）作為 EUV 光刻機的替代，只是成本會變得非常高。

試想，以前的工藝節(jié)點在生產(chǎn)過程中只要一次曝光，現(xiàn)在 7 納米要曝光 3 ~ 4 次，生產(chǎn)成本當(dāng)然會大幅變高，投資回收比會下降，代表著推動摩爾定律的代價變得很高，因此把該定律解釋為經(jīng)濟定律，會比視為一種技術(shù)鐵律會更為適合。

正因如此，ASML 在光刻機技術(shù)上屢屢突破，才變得如此備受關(guān)注。ASML 的 EUV 光刻機技術(shù)的突破，是指每小時曝光的晶圓片數(shù)增近到符合量產(chǎn)經(jīng)濟的水準(zhǔn)，讓英特爾、臺積電、三星都可以在高端技術(shù)上導(dǎo)入 EUV 光刻機。

ASML 的 EUV 光刻機今年的吞吐量（throughput）已經(jīng)達(dá)到每小時曝光 125 片晶圓的量產(chǎn)里程碑，更讓人興奮的是，在實驗室中已經(jīng)達(dá)到每小時吞吐量 140 片的目標(biāo)，年年突破的進(jìn)度讓半導(dǎo)體大廠為之振奮。

ASML 的 EUV 光刻機一臺價格高達(dá)一億歐元，根據(jù)公司估計，今年將完成 20 臺出貨量，預(yù)估明年出貨量提升至 30 臺，全力協(xié)助客戶達(dá)到量產(chǎn)目標(biāo)。

ASML 也揭露下一代 EUV 系統(tǒng)高數(shù)值孔徑 (High-NA)EUV 產(chǎn)品的規(guī)劃，宣布已經(jīng)獲得三家客戶訂購四臺訂單，同時也售出 8 個 High-NA EUV 機臺的優(yōu)先購買權(quán) (options)。

ASML 是如何連續(xù) 16 年以 85% 份額穩(wěn)坐半導(dǎo)體光刻龍頭？

ASML 在半導(dǎo)體光刻設(shè)備領(lǐng)域以 85% 份額連續(xù) 16 年穩(wěn)居龍頭，其次是 Nikon 份額 10.3%，以及 Canon 份額 4.3%，這兩大日商被 ASML 狠狠甩在后面，EUV 光刻機上具有壟斷地位當(dāng)然是最關(guān)鍵原因，但時間推回十多年前，一場 ASML 和臺積電聯(lián)手改變光刻技術(shù)的方向，也是重要關(guān)鍵。

十多年前半導(dǎo)體制程從 0.13 微米、 90 納米一直發(fā)展到 65 納米節(jié)點之際出現(xiàn)瓶頸，當(dāng)時全球半導(dǎo)體大廠都已經(jīng)投入數(shù)十億美元在 157 納米波長光刻技術(shù)的研發(fā)，只有臺積電當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展處資深處長林本堅提出以水為介質(zhì)的浸潤式技術(shù)，取代原本以空氣作為鏡頭與晶圓之間為介質(zhì)的“干式”曝光技術(shù)，并成功說服 ASML 采用此技術(shù)概念，之后其他兩家日商當(dāng)然也是跟進(jìn)。

這一場“干式”轉(zhuǎn)“濕式”的戰(zhàn)役，成功讓臺積電在半導(dǎo)體技術(shù)上站上主導(dǎo)地位，奠定在晶圓代工領(lǐng)域不斷攀高的關(guān)鍵，同時，ASML 和臺積電之間的技術(shù)配合也越來越緊密，其在光刻技術(shù)領(lǐng)域的市占率逐漸把日本企業(yè)甩在后面。

之后，ASML 也針對細(xì)項領(lǐng)域進(jìn)行強化投資，尤其是鏡頭技術(shù)一直是制約光刻設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵，因此 ASML 在 2013 年收購光源大廠 Cymer 后，也在 2016 年投資德國鏡頭大廠蔡司，布局 EUV 下一代系統(tǒng) Hight NA 光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)，而 ASML 和蔡司原本就是緊密的技術(shù)合作伙伴。

ASML 進(jìn)入 3 納米結(jié)點后，將升級 EUV 技術(shù)采用 NA 高數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，日前更證實在技術(shù)藍(lán)圖上于 2030 年實現(xiàn) 1.5 納米技術(shù)是可行的，這些都讓半導(dǎo)體業(yè)界振奮，摩爾定律還有十多的時間可走，EUV 光刻機的技術(shù)會一直強化支持該定律。

為摩爾定律續(xù)命是眾人責(zé)任，三星 GAA 晶體管朝 3 納米前進(jìn)

要拉長摩爾定律的生命年限也不單只是 ASML 一家企業(yè)的責(zé)任，整個半導(dǎo)體業(yè)界都傾全力前進(jìn)，三星、英特爾、臺積電也投入 FinFET 技術(shù)的下一代接班人環(huán)繞式閘極晶體管（Gate- all-around ; GAA）的技術(shù)開發(fā)，GAA 晶體管是場效晶體管（FET），在通道的四個側(cè)面都有一個閘極，用于克服 FinFET 的實體微縮和性能限制。

其中，三星的態(tài)度非常積極，預(yù)計在 3 納米工藝節(jié)點上導(dǎo)入，計劃 2021 年量產(chǎn)。

半導(dǎo)體晶體管從平面排列，到 20 納米以下轉(zhuǎn)為 FinFET 鰭式排列的架構(gòu)，未來 3 納米工藝節(jié)點左右，又將轉(zhuǎn)入 GAA 晶體管技術(shù)，大家的努力都是為了延長摩爾定律的有效時間。

此外，鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）和全耗盡型絕緣層上硅晶體管（FD-SOI）兩大創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)明人胡正明也成功延續(xù)摩爾定律的生命，F(xiàn)inFET 讓高端技術(shù)走到 10/7/5 納米以下，而 FD-SOI 開創(chuàng)一條主流技術(shù)以外的道路，且兩大技術(shù)分別被英特爾、臺積電、三星采用，也運用在蘋果產(chǎn)品上。