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Da778eaf7838e93e27e3a24c018de8c1 摩爾定律(Moore’s law)預測,每隔18個月晶片上電晶體數量成長一倍**。這項定律成功預測半導體產業近五十年。不過,當晶片線寬(IC 產業能製造的最小導線寬度)縮小到20nm以下,有人認為摩爾定律將無法繼續預測半導體產業,甚至有物理學家宣判摩爾定律將會完全失效

摩爾定律真的失去魔力了嗎?

摩爾定律的瓶頸–光源

摩爾定律為 Intel 創辦人 Gordon Moore 在1965年發表,儘管他本人不認為這是一個定律,而是預測。Intel 以這項定律為發展藍圖,持續以財務優勢和技術創新,把競爭者狠狠甩在後面。

▲1965年 Gordon E. Moore 的「摩爾定律」原稿。資料來源:Intel

但最近摩爾定律由於顯影(Lithography)技術障礙受到挑戰。這個技術障礙有點類似要學生在米粒上畫圖。要畫出一幅很小很小的圖,有三個要素:很小的米粒、更小的筆尖、跟穩定的墨水供應。

在半導體業中,米粒就是晶片,筆尖就是光波長,墨水就是光源強度。晶片(米粒)可以一直縮小,但目前的顯影技術障礙是指光無法兼具波長(筆尖)小且光源強度(墨水)穩定。目前已成功製造波長夠小的光源,但光源強度仍未達商業化的標準。而且提高光源強度(影響曝光速率)同時還必須考慮穩定度,畢竟筆寫到一半沒墨水頗麻煩的。

產業界計畫使用 193nm(ArF)光源搭配浸潤式顯影(Immersion lithography)技術製造20nm晶片。Intel 今年著手製造14nm晶片,並計畫於2015年製造10nm晶片。然而,下一代顯影技術尚未成熟,14nm效能提升或許只有以往的一半。

比利時微電子中心(Interuniversity Microelectronics Centre)總裁 Luc van den Hove 預估以193nm搭配浸潤式顯影製造14nm晶片,成本將會超過28nm技術的90%以上。成本上升主因是曝光顯影技術,在極小線寬下,需要多次曝光顯影,且誤差率也會提高,造成時間與金錢成本大幅上升。

晶圓製作成本圖,成本隨時間上升。圖片來源:ITRS。

延續摩爾定律生命的關鍵技術

Intel 在20年前認為自己找到夠小的筆尖了—極紫外光(Extreme Ultraviolet,"EUV",波長13.5nm),是現在光源波長的7%而已。Intel 認為 EUV 顯影技術能持續推動摩爾定律,搭配浸潤式顯影晶片尺寸可達10nm以下。

於是 Intel 大力推動各廠商組成聯盟研發 EUV,一開始還樂觀預估2007年就能以 EUV 取代深紫外光(Deep Ultraviolet,"DUV",波長193nm)。

2002年時 Intel 對顯影技術藍圖,現在看來實在太樂觀了。資料來源:Intel。

除了 EUV 外,浸潤式顯影技術的發展一般認為可持續沿用到10nm下。這個技術將水滴填滿鏡頭與晶圓間,藉由光線遇到不同介質會折射改變聚焦深度,已讓 DUV 顯影技術得以延續至今。

▲浸潤式顯影技術示意圖。資料來源:Nikon。

雖說線寬尺寸持續縮小,光源波長縮短是正面解決問題方案(愚公移山?);但 EUV 顯影設備一再延後推出,主因是光源強度太弱,導致晶圓顯影速度(throughput)只有每小時30片,不足商業化的要求至少每小時100片。

下一代 EUV 設備發展受阻,產業急著尋找替代技術,Intel 宣稱浸潤式顯影可達到 10nm 下,且製造成本依然足夠商業化。然而顯影需要更多次,光罩成本與工作流程都會大幅增加。

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作者:Tim Chen

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液態氮
3人給推

1.  液態氮 (發表於 2013年2月06日 09:16)
一個技術的門檻代表著~
另一個新突破的展開~~
不管是原有技術的突破~
還是替代技術的誕生~
受益的將會是全體XDDD
(還有廠商的荷包)
Shinwill
3.  Shinwill (發表於 2013年2月06日 14:14)
如果電晶體真的已經接近瓶頸
那麼全新的發展方向可能是量子電腦與憶阻器
John
4.  John (發表於 2013年2月06日 23:34)
半導體發展的確是會遇到瓶頸的。
「穿隧效應」 就是其中之一。
半導體勢必會成為夕陽產業。
台積電也在研發應變措施了。(要和3星對抗阿~~)

6A 家族 的 Si 還不夠快,組成生物體的 C 是更快的。
或許下一個世代,我們可以利用「類生物體」,進行運算。

(台積電上回來學校演講時聽到的...)

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