折叠半导体纳米技术

2016/10/18 9:34:45

半导体纳米技术

纳米技术有很多种，基本上可以分成两类，一类是由下而上的方式或称为自组装的方式，另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等技术为主，后者则以半导体技术为主。

以前我们都称 IC 技术是「微电子」技术，那是因为晶体管的大小是在微米（10-6米）等级。但是半导体技术发展得非常快，每隔两年就会进步一个世代，尺寸会缩小成原来的一半，这就是有名的摩尔定律（Moore’s Law）。

大约在 15 年前，半导体开始进入次微米，即小于微米的时代，尔后更有深次微米，比微米小很多的时代。到了 2001 年，晶体管尺寸甚至已经小于 0.1 微米，也就是小于 100 奈米。因此现在是奈米电子时代，未来的 IC 大部分会由奈米技术做成。但是为了达到奈米的要求，半导体制程的改变须从基本步骤做起。每进步一个世代，制程步骤的要求都会变得更严格、更复杂。

制程技术的挑战

曝光显影：在所有的制程中，最关键的莫过于微影技术。这个技术就像照相的曝光显影，要把 IC 工程师设计好的蓝图，忠实地制作在芯片上，就需要利用曝光显影的技术。在现今的奈米制程上，不只要求曝光显影出来的图形是几十奈米的大小，还要上下层结构在 30 公分直径的晶圆上，对准的准确度在几奈米之内。这样的精准程度相当于在中国大陆的面积上，每次都能精准地找到一颗玻璃弹珠。因此这个设备与制程在半导体工厂里是最复杂、也是最昂贵的。

半导体技术进入纳米时代后，除了水平方向尺寸的微缩造成对微影技术的严苛要求外，在垂直方向的要求也同样地严格。一些薄膜的厚度都是 1 ~ 2 奈米，而且在整片上的误差小于 5%。这相当于在100个足球场的面积上要很均匀地铺上一层约1公分厚的泥土，而且误差要控制在 0.05 公分的范围内。

蚀刻：另外一项重要的单元制程是蚀刻，这有点像是柏油路面的刨土机或钻孔机，把不要的薄层部分去除或挖一个深洞。只是在半导体制程中，通常是用化学反应加上高能的电浆，而不是用机械的方式。在未来的奈米蚀刻技术中，有一项深度对宽度的比值需求是相当于要挖一口 100 公尺的深井，挖完之后再用三种不同的材料填满深井，可是每一层材料的厚度只有 10 层原子或分子左右。这也是技术上的一大挑战。

除了精准度与均匀度的要求外，在量产时对于设备还有一项严苛的要求，那就是速度。因为时间就是金钱，在同样的时间内，如果能制造出较多的成品，成本自然下降，价格才有竞争力。另外质量的稳定性也非常重要，不只同一批产品的质量要一样，今天生产的 IC 与下星期、下个月生产的也要具有同样的性能，因此质量管控非常重要。通常量产工厂对于生产条件的管制，包括原料、设备条件、制程条件与环境条件等要求都非常严格，不容任意变更，为的就是保持质量的稳定度。