新一代電腦與通訊網路科技：點矽成金
92/03/18
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陳志方｜
成功大學電機工程學系
黃信惇｜
成功大學電機工程學系
歐育森｜
成功大學電機工程學系
今日的煉金術
今天，積體電路已大量應用在各式各樣的電子產品上，從電腦、汽車、消費性電子產品到太空衛星系統等，積體電路在日常生活中可說是無所不在。什麼是積體電路？積體電路是將許許多多的電子元件做在一個約指甲般大小的晶片上，而晶片是由晶圓切割而成，一個晶片裏面含有上千萬個電晶體，有了這些電晶體，它就可以執行很多複雜的任務。
製作積體電路最常用的材料是矽，矽是地殼中很常見的元素，許多石頭的成分都是二氧化矽。平常的石頭不稀奇，但是製作成矽晶片後就非常值錢了。一片製作完成的直徑八吋的晶圓，可以切割成幾百個晶片，其總價值可以達到上萬美金，這中間的差異大得驚人。要將普通的石頭變成矽晶片，須經歷超過百道以上繁複的化學、物理和光學製作程序，這些過程是非常耗時且昂貴的，因此矽晶片與石頭之間的價值差異也就不足為奇了。把石頭變成矽晶片，可說是一項點矽成金的工程，也是近代科學的奇蹟。
矽時代的來臨
自從有人類以來，社會的演進可以用當時人類使用的器件來代表，從遠古的石器時代，到銅器時代，再進步到鐵器時代。今日，以矽為原料的電子器件的產值，已經超過了以鋼為原料的產值，人類的社會因而正式進入一個新的時代，也就是矽的時代。
矽，若依其導電程度來歸類，屬於半導體，所謂半導體就是導電程度沒有導體（例如金屬）那麼好，但又不像絕緣體（例如橡膠）那麼差。半導體在導電特性上，有個很吸引人的地方，就是其導電程度可以利用光、溫度或加入適當的雜質來控制，尤其是加入雜質可改變材料導電性的特點，是現今半導體元件製作上一個很重要的控制因素。然而目前所使用的半導體元件，何以大多採用矽來製作？
其實在一九五○年代，那時最主要的半導體材料為鍺。但是由於鍺材料有一些缺點，例如鍺的含量在地球表層所占的比例很低，材料不易取得因而價格昂貴，而且鍺氧化物為水溶性，在製造元件上相當困難，諸多缺點使得用鍺材料製作半導體元件無法順利地推展。直到一九六○年代，因發現矽的諸多優點，例如矽的含量占地球表層的 25％，容易取得，價格便宜，再加上矽經加熱可產生高品質的絕緣層二氧化矽，對於元件製作有很大的幫助。因此短短幾年後矽就取代鍺，到今日矽仍然是最主要的半導體材料。
雖然矽可以製作很多半導體元件，不過，因為其材料特性的限制，無法製作光電元件，但一些化合物半導體材料（例如砷化鎵）卻可以製作雷射等光電元件。此外，在外加相同大小的電場強度下，因為電子在砷化鎵裏傳輸的速率大於電子在矽裏傳輸的速率，所以砷化鎵等化合物半導體製作的元件，其操作速度比矽元件更快。但是因為這些化合物半導體價格非常昂貴，所以只見於特殊應用的產品上，而對於一般以價格便宜為首要考量的產品，矽仍是積體電路產業裏使用最多的材料。
積體電路的起源
積體電路是由非常多個電晶體、電阻、電容、電感和正負接面等所組成的電路。什麼是電晶體？電晶體（transistor）的英文是由 transfer 和 resistor 二字縮寫而來，意思就是轉換電阻，它可以利用一端的電壓來控制另外兩端之間的電阻，因而具有開關和放大信號的功能。電晶體由於有放大信號的功能，又稱為主動元件；反之，電阻、電容、電感等因無法放大信號，所以稱為被動元件。
在一九四八年發明電晶體前，是以真空管做為主動元件，由於體積龐大、功率消耗高、且可靠度不佳，因而限制了電子電路的發展。自從發明電晶體以後，這種以半導體為材料製成的新主動元件，因具備體積小、省電、耐用等優點，大量取代了真空管，使得電子電路邁入了電晶體的紀元。
雖然電晶體的發明改善了真空管的缺點，但是電子電路的性能與可靠度仍有待提升。因為當時的電路是把很多個單獨的電晶體、電阻、電容、電感等元件，藉由銲接技術組合起來，銲接點的品質往往影響了電路的可靠度；而且當電路愈複雜時，數量可觀的電子元件使電路的體積變大、速度變慢、功率消耗變大。這些缺點促使科學家後來找到一個改善的方法，那就是積體電路。
一個小而美的構想
一九五八年，美國德州儀器公司的基爾比（Jack Kilby）先生與快捷公司的諾斯（Robert Noyce）先生，不約而同地提出一個新的構想，他們想用鍺或矽製作一個完整的電路，也就是想辦法把以前由很多個單獨的電晶體、電阻、電容、電感等元件所組成的電路，製作在單一鍺或矽晶片上。
如此，不但可避免銲接的問題，電路的體積也可大幅縮小，因此電路的性能與可靠度有了革命性的改進，進而促成現今半導體工業的蓬勃發展。為了表揚基爾比先生（可惜諾斯先生已於一九九○年過世）對於積體電路的貢獻，二○○○年的諾貝爾物理學獎頒給了他，這也肯定了積體電路對於現代生活的影響。
積體電路的發展
回顧歷史，積體電路的發展有個重要的趨勢，每兩到三年，製程技術會提升一個新世代，此即著名的摩爾定律（Moore's law）。每個新世代，元件的最小線寬變成零點七倍（縮小 30％）、晶片複雜度變成三倍、電路速度變成一點七倍、但成本卻反而變成零點七倍，二○○二年的產品已將元件的最小線寬推進到 0.13 微米（一微米等於百萬分之一米）。
在莫爾定律裏，元件的縮小化是積體電路進展日新月異的關鍵。因為元件縮小後，單位面積上的元件數會增加，這樣可以提高晶片的複雜度與功能。而且元件縮小後，信號傳遞的時間變短，操作的速度加快，因此電路的速度可以提升。再者，元件縮小後，單位面積上可以做出更多個積體電路，製造成本也可大幅地降低。
雖然積體電路的微縮化有上述三個好處，但要把元件做得愈來愈小是很不容易的，除了牽涉到製程技術上的限制外，在物理定律下，元件尺寸的限制也必須想辦法加以克服。
而第二個遇到的問題是，當積體電路的積集度增加到某一個程度之後，因為金屬線寬無法同樣依元件縮小的比例縮減（這使導線的電阻上升），以往單一層金屬層的設計，無法完成整個積體電路的連線工作，而必須以兩層、三層、甚至多到七層的金屬內連線層，來執行這項工作，因此多重金屬內連線技術乃應運而生。
但是多重金屬連線會使積體電路的表面，產生高低起伏不定的外觀，這種不平整的金屬線外觀，使得接下來做為金屬線隔離層用的二氧化矽沈積產生困難，甚至無法完全將金屬線間的縫隙填滿，嚴重時更可能導致下一層金屬層的製作無法順利進行。因此必須設法將這層因金屬線而產生高低起伏的部分平整化，平坦化技術已成為現今不可或缺的製程。
在積體電路的發展趨勢上，元件的尺寸會持續地縮小，但晶圓的尺寸反而會一直增大，從二吋、三吋、四吋、五吋、六吋、八吋到目前最熱門的十二吋晶圓。為何晶圓的尺寸要一直增大？其實使用較大直徑的晶圓進行生產，最主要的目的是要增加產量與降低生產成本。拿八吋晶圓與十二吋晶圓做比較，十二吋晶圓的面積是八吋晶圓面積的 2.25 倍，如果使用相同的製程技術，在良率相同的情況下，十二吋晶圓可產出的晶片數量約是八吋晶圓的 2.5 倍。若能設法控制十二吋晶圓技術的成本在八吋晶圓技術成本的 2.5 倍以下，就可以進一步降低生產成本。
雖然現今積體電路的功能已非常強大，研究人員本著精益求精的精神，仍不斷地思考新的發展，其中尤以系統單晶片、微機電系統與奈米科技最為熱門。
系統單晶片：系統單晶片（SoC）是具備完整系統架構與功能的晶片，其架構包含微處理器、記憶體、與周邊電路等。早期因為半導體製程技術的限制，元件還無法縮小到深次微米（約小於 0.25 微米）的範圍，導致單位面積所能製作的元件數目較少，若勉強將許多複雜功能的電路整合在單一晶片上，將會因晶片面積太大而導致良率低落。 當時的做法是將系統中所需的個別功能做在獨立的晶片上，然後在電路板層次進行組合設計。但現今元件線寬已縮小至深次微米的範圍，以目前英特爾的奔騰4（P4）微處理器為例，使用0.13微米的製程技術，處理器內包含有五千五百萬個電晶體（相對於一九七一年時英特爾所發表的第一個微處理器 4004，那時是用10微米的製程技術，晶片內只有兩千三百個電晶體），未來當製程技術再進步到小於 0.1 微米時，單一晶片裏將可製作超過一億個電晶體，屆時系統單晶片的構想將會實現。
由於系統單晶片是目前積體電路設計的重要趨勢，且能應用在資訊、通訊、光電、網際網路、微機電、能源、光通訊等多項產業上，因此交通大學校長張俊彥博士推出「矽導計畫」，內容包括人才培訓、產品設計開發、前瞻平台開發、矽智材（intellectual property, IP）開發以及新興產業開發等五大部分，擬以系統單晶片的開發做為推動引擎，以設計、創新為導向，讓產業能夠轉型，促成我國半導體產業的躍升，以維持產業競爭力。預計在二○一○年時，相關產值可達十兆元，是現在竹科廠商產值的十倍。
微機電系統：微機電系統（MEMS）是指利用半導體製程技術，把機械結構做在矽基板上，這樣就可把機械與半導體元件整合在單一晶片上，做出具有多功能的全新微小系統，以提高系統的性能、品質、可靠度，並且降低製造成本。
在微機電系統裏的機械結構是可以動的，例如微鏡片、微鑷子等，其動作是由電壓或電流來控制。此外，微機電系統也可以透過溫度、壓力、氣體等的改變，影響系統的電壓或電流，以感測外界環境的變化，可對外界環境進行即時的偵測。例如在化學工廠裏，我們可以利用生物晶片，來偵測是否有毒性化學物質外洩。
微機電系統的發展始於一九九○年代，它整合了半導體製作技術、電子、機械、材料、控制、光學等多重科技，其應用更是涵蓋了微電子、資訊、通訊、生物醫學、光學、家電、汽車、航太、化學、環保等行業，因此微機電系統技術，被視為下世代的核心製造技術之一。
目前，各種以微機電系統技術加以改良的傳統裝置或嶄新的發明，如雨後春筍般出現。美、日、德等工業先進國家，已大量投資並積極研發此項新技術；國內工研院電子所的微系統技術中心，正結合半導體製程技術與微加工技術，準備開發微系統前瞻製程技術。國科會也在臺大、清大與成大，成立北、中、南三區的微機電系統研究中心，以整合各大學對微機電系統的研究，並對國內相關產業的研發環境提供協助。
奈米科技：奈米（nanometer, 10−9 m）是長度的計量單位，一奈米的長度是十億分之一米。物質在奈米尺度下，將呈現許多全新的特性，其電性、磁性、物性與化性等，皆與在巨觀世界時有很大的不同。例如奈米金屬塊的強度比一般金屬塊高上數十倍，同時又可像橡膠般富有彈性。所以奈米科技就是利用奈米尺度下物質獨特的性質，建構出新的材料、元件、產品以及工具的技術。
由積體電路的發展趨勢來看，元件的縮小化是積體電路日新月異的重要動力，目前這種由上往下的縮小方式，因微影等製程技術的限制，已接近極限。因此，如果能利用奈米科技直接在奈米層次製造新的元件，這種由下往上的組合方式，預期將在積體電路的功能、速度、製造成本等方面，產生突破性的進展。
民國九十一年五月，由臺灣大學物理系蔡定平教授領導的研究團隊，利用奈米光學技術，成功製造出容量超過 100 GB（一千億位元組）的光碟片，其儲存容量為全球最大，是 CD 的一百五十倍，DVD 的二十倍，是目前國內成功利用奈米科技的實例。在國外，日本電氣公司（NEC）研究員飯島澄南在一九九一年發現的奈米碳管，是目前自然界裏最細的管子，美國利用奈米碳管研製記憶晶片，這種晶片的開關速度，是傳統電晶體的一百萬倍。
二○○○年元月，美國總統柯林頓宣布推動「國家奈米技術計畫」後，全球各國競相投入奈米科技的研發。我國在國科會、教育部與經濟部等相關部會的規畫下，「奈米國家型科技計畫」已經出爐，決定在未來六年內，分二個階段總共投入二百三十一億新臺幣，全面推動奈米科技研發，期使我國能迎頭趕上歐、美、日各國的研發進度，成為奈米科技產業化的世界領導者之一。
近三十年來，積體電路的日新月異，造就了點矽成金的奇蹟。今後，莫爾定律是否仍能用來描述積體電路的發展趨勢，系統單晶片、微機電系統與奈米科技會不會把點矽成金的奇蹟更加發揚光大，且讓我們拭目以待。
