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新一代電腦與通訊網路科技:點矽成金

積體電路相關產業已成為我國當前重要的高科技產業之一,你知道矽的時代與積體電路是如何發展的嗎?
 
 
 
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。
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