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電機資工的現況與未來:奈米科技開啟微觀文明

現今市面上許多奈米產品是否有正面效益,還需時間觀察;但不可否認的是它們已經影響深遠,而奈米世代將開啟人類的微觀文明。
 
 
 
奈米是21世紀科技產業最流行的詞彙,日常生活中也時常聽到它,但奈米到底是什麼呢?奈米是非常小的尺度單位,長度是十億分之一公尺(10−9 公尺)。這長度遠小於人類視覺能觀察的範圍,但在日常生活中卻隨處可看到奈米現象,像是蓮花出淤泥而不染、蝴蝶翅膀光子晶體的繽紛色彩,以及壁虎腳掌上有數百萬根剛毛使其在牆壁上行走自如。

在人類歷史上,從蒸氣機的發明、電氣化到電子計算機,已經歷了3次產業革命,21世紀奈米科技的發展將帶領人類進入第4次產業革命。

何謂奈米材料

隨著科技的日新月異,人們對材料微小化的需求日漸升高,其應用範圍已經從原本的微米(10−6 公尺)進入到奈米時代。

奈米材料簡單來說,就是指大小在1~100奈米之間的微小物體,而更精確的定義是物體的長、寬、高3個維度中,只要有任一維度小至奈米尺寸,就稱這材料是奈米材料。

奈米材料依維度可區分為零維、一維和二維。零維奈米材料是指長、寬、高3個維度都在奈米尺度內,在這空間中電子會受限而無法自由移動,例如量子點、分子團、奈米粒子等。一維奈米材料是指長、寬、高3個維度中有2個都是奈米尺度,形狀是長條狀,這時電子僅能在不是奈米尺度的空間中自由活動,例如奈米絲、奈米棒、奈米管、奈米帶等。

二維奈米材料則是指長、寬、高3個維度中僅有1個在奈米尺度的範圍內,形狀是平面,電子在不是奈米尺度的二維空間中自由活動,意即電子可於平面中自由活動,例如奈米薄膜、超晶格、石墨烯、過渡金屬硫族化合物等。

零維奈米材料

零維奈米材料像是奈米粒子、分子團(如碳60)與量子點,都是一種由少量原子或分子聚集且尺寸在1~100奈米之內的點狀物,其物理性質須由微觀的量子物理所解釋。以量子點為例,電子容易被量子點局限在點內(即零維空間),如同電子深陷於洞中不得而出,因此量子局限效應特別顯著。

量子點的用途相當廣泛,例如藍光雷射,量子點直徑越小,激發後的光波長越小(偏藍),藉由控制量子點大小可發出藍、綠、紅3種顏色的光。如果能夠混合不同直徑的量子點材料,甚至可以製造出類似太陽光、自然光那種連續光譜的光,在醫療上可以成為生物檢測用的奈米條碼。量子點也可用來長期觀測細胞,追蹤特定蛋白質在細胞內的活動情形,有助於細胞死亡的研究。

一維奈米材料

一維奈米材料自1991年日本物理學家飯島澄男發現奈米碳管以來,一直不斷有新的材料開發出來。奈米碳管是由碳原子組合而成的中空管狀物,直徑約為數奈米至數十奈米。奈米碳管可以製成透明導電的薄膜,用以代替氧化銦錫做為觸控螢幕的材料。

矽奈米線也是一維的奈米材料,由於擁有高的長寬比與大的體表面積比,因此有助於能量的傳輸與增加感測面積。近年來,已廣泛應用於場發射元件、太陽能電池、氣體感測器、熱電元件等。

二維奈米材料

2004年,英國曼徹斯特大學科學家安德魯‧蓋姆(Andre Geim)和康斯坦丁‧諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)首度成功以機械剝離法製造出石墨烯。石墨烯本身是一個二維結晶體且有許多優異的特性,例如電子在石墨烯中的移動比一般狀態下迅速,可能因其特殊的能帶結構使其電子和電洞的有效質量都等於零。此外,石墨烯還具有高電導率、高機械強度、彎曲性、高光穿透率等特性,使石墨烯在電子、光電等領域有相當大的應用潛力。

未來愈做愈小的元件必須在室溫下具有高載子遷移率(> 105 cm2/Vs)與高電流密度(> 109 A/cm2),石墨烯將可成為低耗能與前瞻性材料的選擇。石墨烯雖然有以上許多優點,但很可惜缺少能隙,以至於無法有效使用在場效電晶體領域。

另一個二維材料二硫化鉬因其結構與半導體的電特性,使它成為電晶體的理想材料。二硫化鉬是過渡金屬硫族化合物材料中最常見的,僅3個原子層厚。單層的二硫化鉬是具有直接能隙(1.8 eV)的半導體材料,可由塊材剝離或由化學氣相沉積製備。而多層的二硫化鉬塊材是具有間接能隙(1.2 eV)的半導體材料。

有別於石墨烯,二硫化鉬具有能隙,且能隙的大小可藉由材料的層數(或厚度)調控於1.2~1.8 eV的範圍。這材料可彎曲,且化學與熱穩定性高,表面並沒有裸露的不飽和鍵,是在室溫大氣中可穩定存在的材料。

二硫化鉬電晶體體積僅相當於傳統矽電晶體的三分之一,且相較於非晶矽電晶體有較大的開關電流密度,有穩定的電子傳導能力,被視為未來更小元件傳導通道材料來源之一。

奈米科技的實際應用相當廣泛,包括半導體晶片製程、噴墨式印表機的精密噴頭、偵測手機移動的奈米陀螺儀、液晶顯示器、數位照相機屏幕、數位投影機等。以下以半導體界的最新發明「鰭式電晶體」與「極端紫外光微影技術」做為奈米科技的應用實例。

鰭式電晶體

電子產品中的晶片(IC或積體電路)可說是奈米科技目前在人類生活中最普遍的應用,電晶體則是IC中最基本的開關元件。今日全世界每年生產的電晶體數目約為1020顆,平均每人每年大約使用到100億顆電晶體,遍布在個人電腦、智慧型手機、隨身碟、汽車用微電腦、銀行提款機等處。

電晶體做為電流的開關,如同水閘控制水的流動,電晶體閘極的電壓用於控制電流的流通。半個世紀以來,晶片中的電晶體數目愈來愈多,因此電晶體愈做愈小,閘極的長度愈來愈短,但閘極長度的縮短將增加電控制的困難。換言之,閘極關閉(低電壓)時,電流並未完全停止,尚有漏電流。

漏電流對晶片的耗電有很大影響。今日手機的核心晶片大約有10億顆電晶體,即使一個電晶體只漏電10奈安培,加起來就有10安培。假設手機電池的電量是1,000毫安培‧小時,則充電1次僅能使用6分鐘,漏電流所造成的影響不容忽視。

傳統上,半導體業界使用的都是平面電晶體,由上方控制,不易擋住電流,電流會從通道離閘極較遠的下方流過。2000年,美國加州大學柏克萊校區教授也是中央研究院院士的胡正明提出鰭式電晶體的概念,即把電晶體通道做成魚鰭形狀,閘極由三面包夾,把漏電流控制得非常小。2011年,英特爾首先在其22奈米製程技術中使用鰭式電晶體量產最新的微處理器,而台積電、聯電及三星也隨後跟進。

鰭式電晶體利用閘極三面包夾通道可大幅改進漏電現象,更理想的是把電晶體的通道做成圓柱型四面包夾,對漏電的控制是最好的。在圓形通道中流動的電流,如同在水管中流動的水,要完全關閉是相當容易的。因此,未來電晶體有可能是奈米管的結構。IBM的研發部門早已實驗證實奈米管對漏電流控制極佳的特性。然而,利用半導體製程做出包住奈米管的閘極是較困難的技術,目前尚在研發階段,未實際量產。

極端紫外光微影技術

傳統照相技術是利用光學原理把底片的圖形曝光投影於相紙上,再利用顯影技術沖洗相片。這種技術也可用在奈米製程中,利用光學原理把電路布局圖縮小並投影在晶圓上,再顯影刻出實際圖形,稱為微影技術。微影技術應用在半導體製程中能夠非常快速刻出圖案,是所有大規模量產的最佳選擇。奈米晶片中寬度比人類頭髮直徑(約2萬奈米)微小數百倍的電晶體閘極,就是利用微影技術刻出的。

然而,當閘極寬度縮小至數十奈米時,就遇到了瓶頸。曝光用的光波長大於投影影像本身時,會有物理學中著名的干涉現象。干涉造成圖案形狀的改變,例如原電路布局圖上長方形的圖案,投影在晶圓上成了橢圓,因而影響晶片的工作。人類可見的紅光、藍光等,其波長約為400~700奈米,而今日半導體業界為了刻出極小的圖案,微影製程使用的雷射光源波長已減小到193奈米。

但當電晶體閘極寬度縮小至65奈米左右時,卻發現小於193奈米波長的光學微影技術相當困難,因此開始把晶圓泡在水中進行微影,這就是液浸微影技術。由於水的折射率高,193奈米的光由空氣進入水中,其波長會再度降低,有利微影圖案的真實性。

不過,今日電晶體閘極已縮小至20奈米左右,比193奈米小了約10倍,電路布局圖案印到晶圓上產生非常嚴重的扭曲現象。為解決這問題,便研究利用接近X光波長的極端紫外光來微影,使用的是波長13奈米的紫外光,而能大幅改進微影圖案的品質。

極端紫外光技術能印出極精細高品質的奈米級圖形,但曝光速度沒有傳統微影技術快。極端紫外光技術利用雷射光照射真空中熔化的金屬錫,其散射出的光波恰好是13奈米。而這種方式產生的光的強度十分微弱,因此曝光時間較傳統微影長,對量產不利。此外,由於13奈米的紫外光波長極短,容易被玻璃透鏡吸收,曝光機台必須使用特殊鍍膜的反射鏡組取代傳統的玻璃透鏡組,因而曝光機價格非常昂貴,目前1台約為1億美元。

影響人類生活深遠

科技發展突飛猛進,20世紀末奈米的發現帶動各產業的進步,各國奈米專家也致力研發新產品,使得奈米時代來臨。

現今,市面上已有許多奈米產品,除了電子業外,在食品業、化妝品業及紡織業中也都占有一席之地。許多產品是否有正面效益還需要時間觀察,但不可否認的是奈米對人類的生活已經影響深遠,奈米世代將開啟人類的微觀文明。
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