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。

1996年美國國會認為，這個合作研究計畫是一種對大企業的變相補助，於是將它取消。AT&T就決定不玩了。英特爾適時介入，拯救了整個計畫，使研發繼續進行。「英特爾逐漸了解，要是不投資幾個會在21世紀頭十年成為關鍵技術的研發工作，到時候公司就會有麻煩。」加州大學戴維斯分校應用科學系的弗里曼說。1990年代中，他先後在貝爾實驗室與國家實驗室EUV小組領導過光刻技術的研發。

紙上談兵，EUV非常吸引人。它的波長只有13奈米，五年前晶片製造商使用的波長約是它的20倍。這個技術可以使現行半導體技術發揮到極致（若想製造原子尺度的晶片，就踰越現行技術的物理限度了），而且它使用的機器，與目前晶圓廠中的有些相似。不過，英特爾方面有人頗為懷疑。「大家開始問：『它能做這個、做那個嗎？』而告訴大家說我們別無選擇的，是摩爾。」卡拉瑟斯回憶道，當時他在英特爾負責先進技術研究。

英特爾與一個叫做虛擬國家實驗室（VNL）的單位簽下三年合約（後來延長到五年），VNL包括了勞倫斯利佛摩、山迪亞、勞倫斯柏克萊等三個實驗室的人員與設備。一份合約就簽下了三個實驗室，減少了一些繁文縟節；通常那些官樣文章會使有意尋求合作的商業機構卻步。後來英特爾鼓動其他晶片製造商跟進，包括競爭對手超微（AMD）、摩托羅拉、美光、億恆科技，以及光刻技術設備供應商ASML與SVG。

1997年，正當英特爾開始進一步投入大筆資金時，一場工業界研討會卻因EUV潛在的技術困難，而非正式把它評為四種研發中的光刻技術的最後一名。EUV與現行技術雖然有些相似之處，但是差異仍相當大，足以使一般晶圓廠廠長想到就頭皮發麻。傳統光刻設備的紫外光（通常波長不是248奈米就是193奈米）投射通過一片玻璃光罩，電路圖案就畫在上面。然後投射光通過一系列的透鏡，將圖案縮小成原來的四分之一，最後圖案投射到晶圓表面的化學薄膜上。晶圓再經一次化學處理，將已曝光或未曝光的化學薄膜蝕刻掉，晶圓表面就刻出電路了。

紫外光的波長到了13奈米的時候，情況就改變了。那麼短的波長，正是這個技術得名「極」紫外光的原因。光罩與透鏡對於波長較長的光線才好像是透明的一樣，而波長更短的光線就會被吸收。因此EUV的光罩與透鏡都是使用鏡子。首先，將一束雷射光射入氙氣噴流，創造出一束電漿；電漿會放射波長13奈米的輻射線，經過聚焦後再投射到一個光罩上。光罩將電路圖案反射到一系列帶弧度的鏡子上，圖案縮小後聚焦投射到晶圓表面上。鏡子與光罩的表面，矽與鉬相間一共要塗80層，必須絕對平滑，誤差只容一個原子大小。此外，整個電路的光刻過程必須在真空中進行，因為波長超超的輻射，連空氣都會將之吸收。要是光罩上有幾個缺陷，即使每個只有50奈米大小（相當於頭髮寬度的1/2000），都會扭曲電路圖案。「50奈米的缺陷」究竟有多大？研發團隊有時會苦思如何向外界描述：例如說，這相當於在台灣島面積20倍大的土地上，尋找一個籃球；又或者是在一個美式足球場上，尋找一根頭髮。

物理學家和原先是設計、製造核子武器技術的工程師，必須解決這些挑戰。AT&T在貝爾實驗室研發EUV的早期階段，雇用了30名研究人員。英特爾就不同了，在VNL的主要基地──舊金山灣區利佛摩的山迪亞國家實驗室，只配置了五名全職人員（不過，英特爾地盤上的幾個研究室裡，負責專利光罩設計以及其他EUV相關技術的專職人員，合計超過十人）。「他們拿我們當先進的研發實驗室。」虛擬實驗室的首席營運長史圖藍說。

英特爾密切注意實驗室如何作決定。要是有人建議了製作透鏡的不同方法，英特爾會堅持研究小組在其中選一個，而不要兩個都試過後再比較優劣。「要是他們不認為行得通，就不准花錢，」弗里曼說，「他們的行事風格要與貝爾實驗室不同。」英特爾也實施了與公司內部同樣的危機處理系統，其中項目鉅細靡遺，主要是針對可能出錯的部分作出評估。根據這個系統，大約有200個問題必須列管，其中有些是VNL的研究人員也許本來不會在意的。在一次會議中，VNL人員提到他們必須將雷射強度增加40倍，這引起設備供應商的強烈反應。「晶片設備製造商將這一點列為高風險行動，比我們設想的高。」史圖藍說。VNL研究人員找出了他們所謂的「七大『煞風景』必殺技」，但是到了1998年末另一次與業界的會議中，已經找到了某些問題的解決方案，例如製造超滑溜鏡面的訣竅，於是EUV在正式議決前夕給推上了下一代光刻技術的首選寶座。「大家的態度變了，原來他們是『當然，你們會告訴我們你們能做出來，』現在他們逕自推我們上前線。」弗里曼說。

英特爾也將「快幹活、交成果」那種迫切氣氛帶入了實驗室，工作人員本來對商業界的期限沒什麼概念的。席佛曼是英特爾光刻技術生財設備發展主任，他將這次電路光刻成果展示的時程推前了六至九個月，而且要求EUV機器製造的晶圓數量得加倍。英特爾調整時程，是為了動員業界的力量支持EUV，放棄EPL。「我們深信，工業界沒有那麼多資源可以同時發展兩個技術。」席佛曼說。席佛曼以3000萬美元向ASML訂購EUV原型機，並要這家設備製造商說出個保證出貨日期；他已準備好，隨時可以往前衝。英特爾做急先鋒，理當如此。雖然超微、摩托羅拉、億恆、美光都是合夥人，英特爾談到的合約條件卻是：獨享第一批製造出來的機器，而且由於是這個2億5000萬美元研發案最大的投資人，他們將得到最大數目的工具。

設備供應商為了生產EUV機器，也許得先投資7億5000萬美元來製造所需的生產機具，才能將兩套極其困難的新世代技術化為生產力。但是要他們配合英特爾抓出的時程去花大錢，也許比製造誤差不超過十奈米的光滑鏡面還要困難。即使已經放棄EPL的ASML都非常審慎，他們說目前的光學技術搞不好壽命會比業界所預期的還要長。「EUV是不是會在英特爾設定的緊迫時程中發展成熟？現在還言之過早。」ASML研究經理班夏普說。

英特爾也想將另一家主要設備供應商Nikon拉進聯盟中，但是這位工業界最大的設備供應商，正在美國聯盟之外研發EUV，認為目前還不到選邊站的時刻，它繼續與IBM合作EPL。其他的晶片製造商，例如摩托羅拉與德州儀器，都已聲明支持EUV的競爭者。「EPL與EUV仍在競爭，誰會出局仍在未定之天，」美國Nikon研究機構的總裁兼營運長瓦內爾說，「英特爾已經選邊站了，認為只能有一種技術勝出，所以想消除競爭。我不認為那是業界的最佳方案。要是到頭來EUV沒搞定怎麼辦？我們製造工具，他們製造晶片，還有許多其他的事我們得顧慮，例如這個光刻技術所需的設備是否製造得出來，以及獲利率等等。」以前在貝爾實驗室領導EPL計畫，也參與初期EUV研發的哈里奧特接著說：「我認為EUV的發展已有許多進展。雖然終點尚未在望，可是行銷說詞已經沸沸揚揚，好像這個技術已經大勢底定似的。」

還有，根據英特爾的時程，2005年EUV技術就可以從事商業生產，但是瓦內爾相信那不切實際，他舉出Nikon為例，當年Nikon研發這一代光刻技術使用的雷射，就花了九年時間，比起現在正在研發的，那可是個規模小得多的計畫呢！瓦內爾說：「到了2005年，你得有個完整的量產系統，而且得是從國家實驗室發展出來的。我已經在工具製造業混得夠久了。我不相信那會發生。」

一路走來，英特爾與夥伴們已經面臨了另一個必須跨越的障礙，就是說服華府讓荷蘭的ASML參與聯盟。四年前，聯盟中只有一家主要的美國設備製造商SVG。登峰技術公司也是早期的EUV研發夥伴，但是由於它的財力不足，到時候連一條EUV生產線都開不了，因此只好心不甘情不願的做個配角。此外，ASML後來併購了SVG，這麼一來ASML就會成為這項技術轉移最大的受益者。英特爾「使盡全力將這個技術奉獻給ASML，」登峰技術的技術長馬克爾說，而且「英特爾面對這個情況的態度是：只要對英特爾有利的，就對美國有利。」

儘管有這一串的尊嚴受挫，研發EUV的經驗仍然是值得研究的個案，未來規劃研發計畫的人都得參考。工業界與國家實驗室合作，它是最成功的例子。更廣泛的說，它是一個典範：工業界可以根據需要創設一個虛擬實驗室，進行重大的研發計畫，而不必耗費巨資自行設立中央研究設施。

英特爾「需要時再花錢買」的策略是否有廣泛的適用價值，仍待驗證。真正的考驗也許再過15年左右就會來臨，那時EUV或EPL可能也過時了，需要一個新技術，全面替代矽晶片。一次典範轉移也許就能決定虛擬研究模型是否能成功，例如以DNA分子、奈米管、量子點，或其他奇異的材質來執行運算。「英特爾選擇了一個技術、認出它的價值、全力促成它的發展，實在幹得漂亮，」弗里曼說，「但是你抵達了十奈米的目標之後，接下來要做什麼？他們並沒有花同樣的力氣追問。」也許摩爾的繼承人之中，有人必須為量子計算寫下新的定律。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2002年試刊紀念版】