挑戰摩爾定律遇到什麼瓶頸？四大半導體商如何聯手追趕

挑戰摩爾定律遇到什麼瓶頸？四大半導體商如何聯手追趕: 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。

四大半導體公司聯手追趕摩爾定律

正當 EUV 技術看似無法追趕上摩爾定律時，顯影設備廠商龍頭艾司摩爾（ASML）（編按：愛死摩爾？）在市場投下震撼彈。2012年 ASML 宣布「客戶共同投資計畫」（Customers Co-Investment Program），由 ASML 三大客戶 — Intel、台積電與三星各買下 ASML 15％、5％以及3％的股份（台灣贏韓國耶），並在未來五年提供 ASML 約1.84億美元開發 EUV 顯影設備。此交易案改變晶圓製造商業模式，變成由設備廠與晶圓製造廠共同承擔研發風險。
緊接著 ASML 宣布併購 Cymer。Cymer 長期研發 EUV 光源技術，並正在和 ASML 共同合作開發新一代 EUV 顯影設備。
併購案底定，ASML 執行長 Eric Meurice 宣布：

• 在客戶共同投資計畫支持下，今年研發預算大幅上升30％左右。
• 2016年利用 EUV 顯影，將可達到每小時125片生產速率。
• 2013年將有11台 EUV 顯影機台進行測試，預計將為 ASML 帶來9.8億美元營收。

這兩筆交易（投資案和併購案）讓 Intel、ASML 與 Cymer 執行長一起被選為2012 The Chip Insider 之星。

摩爾定律不死，只是很貴

無論 EUV 技術是否成功推出，產業界已有推出20nm，甚至14nm的備案。這代表摩爾定律仍未錯誤嗎？不盡然是。
摩爾定律成為半導體產業不斷挑戰極限的原動力，每隔18個月晶片上電晶體數量需成長一倍，且電晶體成本約略與晶片上數量成反比，也就表示電晶體成本下降一半。然而越接近物理極限，線寬或許能持續在規定時間內縮短，但製造成本卻大幅上升。換句話說，即便技術上電晶體尺寸能夠循著摩爾定律縮小，但商業上成本卻大幅提升至單一公司無法負荷的程度。
摩爾不死，只是凋零。
* 本文以 Intel 為主，針對 EUV 與浸潤式顯影技術討論。半導體產業其他技術多頭發展中，包括 Mask-less lithography，Nanoprint lithography、Directed self assembly，甚至是顛覆半導體結構的3D IC、DNA 分子、Carbon Nanotube、量子點，都是產業的未來之星。你有什麼想法嗎？歡迎留言討論。
** 摩爾當初預測為兩年，18個月據稱是 Dave House 修改。

作者：Tim Chen

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