科技創新

挑戰摩爾定律的極限

為了將矽晶片的利用價值推到極致,英特爾選擇了一種關鍵技術,並以財務優勢與技術眼光推動研發。

撰文/斯蒂克斯(Gary Stix)
翻譯/王道還

科技創新

挑戰摩爾定律的極限

為了將矽晶片的利用價值推到極致,英特爾選擇了一種關鍵技術,並以財務優勢與技術眼光推動研發。

撰文/斯蒂克斯(Gary Stix)
翻譯/王道還

摩爾是英特爾的創辦人之一,他在1965年畫的一條曲線,顯示在同樣大小的微晶片上,電晶體數目每18個月會成長一倍。當時誰也沒想到,他的臆測竟然不只是遠見,而且是定律,控制了業者生死存亡。


人一旦嗑藥上了癮,就會不擇手段想「哈」一口,半導體工業也一樣,為了不從摩爾曲線上滑落,就必須不斷採用新技術,為此只好投入更多金錢與更先進的技術創意。英特爾一直是摩爾定律的標準典範,它發動了一場五年的「聖戰」,要找到一個在晶片上刻畫電路圖案的方法,使電路線寬達到小無可小的地步,將英特爾的主流晶片技術「互補式金屬氧化物半導體」(CMOS)推升到摩爾曲線的終點。


這些新的光刻機器可以製造包含十億個電晶體元件的微處理器,將會是攻入奈米技術領域之役的精采紀念作。奈米技術就是在十億分之一公尺的範圍內精確操弄物質的方法。英特爾呵護發展出來的極紫外光(EUV,從UV到X光間的波長範圍)光刻技術,最近在美國能源部的山迪亞國家實驗室(此實驗室本為製造核武而設)初試啼聲,在一個晶片上刻畫了完整的電路圖案。EUV的波長只有13奈米,發展成熟後,它能刻畫寬度僅有40個原子大小的電晶體元件。


工業界將這種技術視為下一代的光刻技術,英特爾的策略是與大學、國家實驗室合作,從他們那兒汲取基本研究與發展的源頭活水,最近的進展證明這個策略奏效。英特爾的取徑與AT&T、IBM、全錄等公司截然不同,他們都設立大型實驗室,一元統籌,從事研發。那些實驗室往往發明了技術,卻無法將之商品化。「傳統的研究方式從未成功過,」大型積體電路研究公司的哈奇森說,這個市場研究公司觀察這些技術已經25年了。「英特爾以新的眼光看待研究,並展示了從研究投資獲得回報的方法。」1968年英特爾創立之前,摩爾對傳統取徑已經別有見地,難以苟同,因為1960年代他在快捷半導體公司親眼見過砸錢研究的下場:什麼產品都沒搞出來。


最近的經驗支持英特爾的做法。先前IBM也資助過一個晶圓光刻技術發展計畫,前後長達幾十年。那個技術使用X光輻射,IBM與美國國防部的高等研究計畫署砸進了不知幾億美元,還是放棄了。據某位工業觀察家的估計,其實總額超過十億美元。哪知才不過一年左右,舊金山灣區的山迪亞國家實驗室就以EUV原型機做展示了。此外,最近幾個月來,兩家主要的半導體設備製造商(ASML與應用材料)都放棄研發電子投影光刻技術(EPL)的計畫。過去一直由AT&T的貝爾實驗室研發的EPL,也是下一代晶圓光刻技術的競爭者,做法是利用平行電子束在晶圓上刻畫出線路圖案。


英特爾雖然是EUV的主要金主,可不能說自己是EUV的發明者。1980年代末期,AT&T貝爾實驗室(現在屬於朗訊科技,1996年由AT&T分出的上市公司)與日本電信電話通訊公司(NTT)分別發表了論文,討論以低能量X光投影為基礎的光刻技術。山迪亞與勞倫斯利佛摩兩個國家實驗室利用「戰略防衛初步」計畫(即俗稱之「星戰計畫」)發展出來的技術,擴充了那項研究的成果。山迪亞製造的早期原型機,利用的是雷射電漿所放出的輻射。電漿的點子其實源自當年「星戰計畫」的實驗,之所以測試經得起高能脈衝的材質,是因為星戰計畫的策士認為,美國的衛星可能會遭受到高能脈衝的衝擊。


幾十年來,大家都了解,為了研發刻有奈米電路的晶片,需要投入的資金以十億美元計,需要克服的技術困難難以估計,因此IBM、英特爾或曾經參與的AT&T等晶片製造商必須投資,讓他們的設備製造商可以進行初期研發。1990年代初,貝爾實驗室督導了五個獨立的光刻技術發展計畫,有個點子吸引他們的注意:不需動用同步加速器的短波輻射(同步加速器是非常巨大的儀器,在高能物理實驗室用來產生X光輻射)。當時X光光刻技術的研發遭到許多技術困難,因此貝爾實驗室的研究人員改弦易轍,放棄低能量X光,改用極紫外光。英特爾加入了AT&T等公司與美國國家實驗室合作的研究計畫,但是實際的研究集中在勞倫斯利佛摩、山迪亞和貝爾實驗室。