台積電研究發展資深副總經理蔣尚義,12月1日,在新竹科學園區產業論壇上發表專題演講。他以半導體最關鍵的「微影技術」、「電晶體」及「導線」等技術演進為例,說明整個半導體產業,就是靠著無數持續的創新,繼續前進。他強調,未來不是單打獨鬥的時代,需要大家通力合作,以建立充滿活力的產業生態系統。
1995年,Moore’s Law 的發明人Gordon E. Moore博士,做了他人生最後一場演講後,至今已經16年。他所提出的摩爾定律,未來還能夠推演下去嗎?
台積電研究發展資深副總經理蔣尚義表示,微影技術(Optical Lithography)的極限,一直是半導體業界的笑話。因為,每當有人推出創新技術,大家總在一邊讚嘆之餘,一邊認為,這已經是最後一代了吧?
但持續創新的結果,總能讓半導體技術不斷向前推進。他強調,光學微影技術的不斷創新,正是過去30多年,摩爾定律得以維持前進的關鍵。
在微影技術的世界裡,一項創新技術的提出,大約要等7-9年才能夠真正的付諸應用。1977到1988年,微影的光源波長為248nm,但1991到2000年,為了要將技術推進,於是將光源波長改為193nm,先是印0.18微米的光罩,接著因為有CMP, OAI, PSM, OPC等技術,所以193nm一直沿用到65nm。
到28nm時,微影技術又碰壁了。還好台積電有個林本堅博士,他巧妙地,把微影技術推入水中,透過光源波長除以水的折射率,成功以浸潤式技術,讓台積電可以再把193nm,順利推進到28nm的光罩上。
2011年,台積電推出20nm的製程技術,克服微影技術瓶頸的創新之道是,將光罩一拆為二,稱之為double patterning。 這麼作,雖然目的達到了,但工序增加,成本與時間都提高。
於是,新的微影技術又出現了。一是EUV, 一是Multiple-E-Beam(MEB),技術概念上都可以一次完成光罩,不必曝光兩次,只是目前這兩款技術還不夠成熟,速度太慢,造價也太高。
EUV微影設備造價高達一億美元,一小時只能做5片晶圓。其機台重量超過50公噸,因此,早在機台搭專機到台灣之前一年,就要花180萬美元,先準備專用吊車,其所費不貲,可見一斑。另一方面,MEB速率更慢,一小時甚至做不到一片。蔣尚義說,台積電需要的是,每小時100片的產出。
蔣尚義說,光罩成本很關鍵。20nm需要60幾道光罩,如果都用浸潤式一拆為二重複曝光的方式做,那麼光罩的成本將倍增。他期待,如果EUV及MEB若能在20nm後期拿出效率,技術就能往前再前進。
電晶體的技術創新,一路走來,也是不斷創新。大家好奇的,半導體的技術極限到底在哪裡?蔣尚義指出,從物理及技術上,微影的極限可以做到7nm,但從成本看,就大有挑戰。成本的考量,驅使晶圓廠從8吋、12吋一路走到18吋,為的就是30%的成本優勢。
在導線技術上,蔣尚義提出,應從整個系統來找改進的空間。他表示,捨去PCB而直接用Silicon是導線技術的好機會,導線密度將提升100萬倍以上。這樣的技術,目前稱為2.5D,將有助於速度加快、功率降低、體積變小,就等經濟規模。蔣尚義說,目前台積電已經可以提供2.5D的樣本給客戶,小量生產應該會在2013年,2014年應該可以看到比較大量。至於堆疊在另外一顆晶片的3D,蔣尚義說,一開始的應用,應該是記憶體。
至於邏輯IC要堆疊3D,蔣尚義認為,除了大小不盡相同,還有散熱等問題,所以他認為,五年內,不會發生。
圖說:台積電研究發展資深副總經理蔣尚義強調大處著眼,從系統思維找創新空間。他提出,以Silicon 取代PCB的作法,2013年將可小量產。
當技術越來越複雜,各種廠商的合作,已成必然趨勢。蔣尚義強調,未來不是單打獨鬥的時代,從EDA到IP library,需要所有相關產業合作,才能一起建立起產業生態系統。
他相信,未來技術前進,將不會僅止於7奈米而已。