折疊半導體納米技術

2016/10/18 9:34:45

半導體納米技術

納米技術有很多種，基本上可以分成兩類，一類是由下而上的方式或稱為自組裝的方式，另一類是由上而下所謂的微縮方式。前者以各種材料、化工等技術為主，后者則以半導體技術為主。

以前我們都稱 IC 技術是「微電子」技術，那是因為晶體管的大小是在微米（10-6米）等級。但是半導體技術發展得非常快，每隔兩年就會進步一個世代，尺寸會縮小成原來的一半，這就是有名的摩爾定律（Moore’s Law）。

大約在 15 年前，半導體開始進入次微米，即小于微米的時代，爾后更有深次微米，比微米小很多的時代。到了 2001 年，晶體管尺寸甚至已經小于 0.1 微米，也就是小于 100 奈米。因此現在是奈米電子時代，未來的 IC 大部分會由奈米技術做成。但是為了達到奈米的要求，半導體制程的改變須從基本步驟做起。每進步一個世代，制程步驟的要求都會變得更嚴格、更復雜。

制程技術的挑戰

曝光顯影：在所有的制程中，最關鍵的莫過于微影技術。這個技術就像照相的曝光顯影，要把 IC 工程師設計好的藍圖，忠實地制作在芯片上，就需要利用曝光顯影的技術。在現今的奈米制程上，不只要求曝光顯影出來的圖形是幾十奈米的大小，還要上下層結構在 30 公分直徑的晶圓上，對準的準確度在幾奈米之內。這樣的精準程度相當于在中國大陸的面積上，每次都能精準地找到一顆玻璃彈珠。因此這個設備與制程在半導體工廠里是最復雜、也是最昂貴的。

半導體技術進入納米時代后，除了水平方向尺寸的微縮造成對微影技術的嚴苛要求外，在垂直方向的要求也同樣地嚴格。一些薄膜的厚度都是 1 ~ 2 奈米，而且在整片上的誤差小于 5%。這相當于在100個足球場的面積上要很均勻地鋪上一層約1公分厚的泥土，而且誤差要控制在 0.05 公分的范圍內。

蝕刻：另外一項重要的單元制程是蝕刻，這有點像是柏油路面的刨土機或鉆孔機，把不要的薄層部分去除或挖一個深洞。只是在半導體制程中，通常是用化學反應加上高能的電漿，而不是用機械的方式。在未來的奈米蝕刻技術中，有一項深度對寬度的比值需求是相當于要挖一口 100 公尺的深井，挖完之后再用三種不同的材料填滿深井，可是每一層材料的厚度只有 10 層原子或分子左右。這也是技術上的一大挑戰。

除了精準度與均勻度的要求外，在量產時對于設備還有一項嚴苛的要求，那就是速度。因為時間就是金錢，在同樣的時間內，如果能制造出較多的成品，成本自然下降，價格才有競爭力。另外質量的穩定性也非常重要，不只同一批產品的質量要一樣，今天生產的 IC 與下星期、下個月生產的也要具有同樣的性能，因此質量管控非常重要。通常量產工廠對于生產條件的管制，包括原料、設備條件、制程條件與環境條件等要求都非常嚴格，不容任意變更，為的就是保持質量的穩定度。