您在半導體產業新聞中,常聽到的20奈米、16奈米這些名詞,指的都是晶片上電路圖的「線寬」。一百奈米大約只有頭髮直徑的六百分之一,可見這個線寬有多細。為了做出更精密的電路,線寬愈細愈好,但回顧過去,在線寬縮到65奈米的時候,全球的半導體產業其實遇到過重大的技術瓶頸。 當時,微影技術曝光用的光源,是波長193奈米的紫外光。要把波長縮短來做出更細的線寬,因為受雷射光源的限制,下一步必須採用波長157奈米的光,在這個條件下,鏡頭、光罩等光學零件都很難生產,成本很高。於是,現在的中研院院士、台積電研發副總林本堅,提出了他的構想,就是同樣用193奈米的光源,來做出比65奈米更細的線寬。怎麼做呢? 林本堅院士: 那時候我們覺得已經做到極限了,我們頂多能把它再縮一點,縮到55奈米,再縮不下去了。那怎麼辦?後來呢,根據光學的原理,我們就放點水在那個鏡頭的下面,就是在鏡頭跟晶片之間填滿了水。光波在真空裡面大概是193奈米的波長,它到了水之後,因為水的那個折射率是1.44,普通在真空是1,所以到了水裡,波長從193掉到134奈米,光的波長減短了,那它的解析度也就會增加了。 這種「加了水」的微影技術,就叫做浸潤式微影技術。因為光的波長縮短到134奈米,比157奈米更短,搭配其他技術,可以順利做出40奈米的線寬;跟65奈米世代相比,在同樣的面積裡,可以放進兩倍的電晶體。更棒的是,紫外光通過鏡頭以後,經過水才會讓波長減短,因此光罩、鏡頭等許多元件,跟193奈米的設備完全相同,節省很多成本。

2003年,艾司摩爾研發的浸潤式微影機台問世,主導了市場的規格,包括IBM在內的十家廠商,都放棄157奈米的機台,轉而跟進。後來浸潤式微影技術繼續做了改進,例如鏡頭跟晶片之間放的不是水,而是其他液體的話,還可能把線寬做得更細。 透過它,以及其他相關技術的發展,人類成功地讓晶片愈來愈精密,電路的線寬愈來愈細。在40、28、20奈米製程量產成功後,又往16或14奈米邁進。 未來的10奈米技術,雖然還沒完全成熟,但目前看來最有機會成功的,可能是一項新的技術跨越,就是極紫外光微影技術,簡稱EUV。它在本質上還是一種光學技術,但是它利用離子化的氣體,也就是「電漿」產生的光源,可以一口氣把波長縮短到13.5奈米,大幅提高解析度。 傳統上的曝光方法,是讓紫外光穿透光罩,把光罩上的電路圖形印到晶片上。但是波長只有13.5奈米的紫外光,無法「穿透」光罩,能量幾乎都會被吸收,所以要利用一連串的光學反射鏡,做成「反射式」的光罩,把電路圖形反射到晶片上。目前台積電、Intel等大廠都在嘗試這套新的生產方法,希望早日進入量產。 在65奈米的世代,一根網球絨毛的小小橫切面上,可以放3200個電晶體。到了40奈米,可以放6400個。經過28、20、16奈米線寬的技術世代,未來到了10奈米,在同樣的截面積上,可以放十萬個電晶體,運算速度更快,而且更省電。因此,這也成為全球大廠積極追求的新一代技術目標。