半導體技術

半導體技術就是以半導體為材料，製作成組件及集成電路的技術。在周期表裡的元素，依照導電性大致可以分成導體、半導體與絕緣體三大類。最常見的半導體是硅（Si），當然半導體也可以是兩種元素形成的化合物，例如砷化鎵（GaAs），但化合物半導體大多應用在光電方面。

絕大多數的電子組件都是以硅為基材做成的，因此電子產業又稱為半導體產業。半導體技術最大的應用是集成電路（IC），舉凡計算機、手機、各種電器與信息產品中，一定有IC存在，它們被用來發揮各式各樣的控制功能，有如人體中的大腦與神經。

如果把計算機打開，除了一些線路外，還會看到好幾個線路板，每個板子上都有一些大小與形狀不同的黑色小方塊，周圍是金屬接腳，這就是封裝好的IC。如果把包覆的黑色封裝除去，可以看到裡面有個灰色的小薄片，這就是IC。如果再放大來看，這些IC裡面布滿了密密麻麻的小組件，彼此由金屬導線連接起來。除了少數是電容或電阻等被動組件外，大都是晶體管，這些晶體管由硅或其氧化物、氮化物與其它相關材料所組成。整顆IC的功能決定於這些晶體管的特性與彼此間連結的方式。

半導體技術的演進，除了改善性能如速度、能量的消耗與可靠性外，另一重點就是降低製作成本。降低成本的方式，除了改良製作方法，包括製作流程與採用的設備外，如果能在硅晶元的單位面積內產出更多的IC，成本也會下降。

所以半導體技術的一個非常重要的發展趨勢，就是把晶體管微小化。當然組件的微小化會伴隨著性能的改變，但很幸運的，這種演進會使IC大部分的特性變好，只有少數變差，而這些就需要利用其它技術來彌補了。

半導體製程有點像是蓋房子，分成很多層，由下而上逐層依藍圖布局迭積而成，每一層各有不同的材料與功能。隨

著功能的複雜，不只結構變得更繁複，技術要求也越來越高。與建築物最不一樣的地方，除了尺寸外，就是建築物是一棟一棟地蓋，半導體技術則是在同一片晶元或同一批生產過程中，同時製作數百萬個到數億個組件，而且要求一模一樣。因此大量生產可說是半導體工業的最大特色。

把組件做得越小，晶元上能製造出來的IC數也就越多。儘管每片晶元的製作成本會因技術複雜度增加而上升，但是每顆IC的成本卻會下降。所以價格不但不會因性能變好或功能變強而上漲，反而是越來越便宜。正因如此，綜觀其它科技的發展，從來沒有哪一種產業能夠像半導體這樣，持續維持三十多年的快速發展。

半導體製程是一項複雜的製作流程，先進的IC所需要的製作程序達一千個以上的步驟。這些步驟先依不同的功能組合成小的單元，稱為單元製程，如蝕刻、微影與薄膜製程；幾個單元製程組成具有特定功能的模塊製程，如隔絕製程模塊、接觸窗製程模塊或平坦化製程模塊等；最後再組合這些模塊製程成為某種特定IC的整合製程。

納米技術有很多種，基本上可以分成兩類，一類是由下而上的方式或稱為自組裝的方式，另一類是由上而下所謂的微縮方式。前者以各種材料、化工等技術為主，後者則以半導體技術為主。以前我們都稱IC技術是「微電子」技術，那是因為晶體管的大小是在微米（10-6米）等級。但是半導體技術發展得非常快，每隔兩年就會進步一個世代，尺寸會縮小成原來的一半，這就是有名的摩爾定律（Moore’sLaw）。

大約在15年前，半導體開始進入次微米，即小於微米的時代，爾後更有深次微米，比微米小很多的時代。到了2001年，晶體管尺寸甚至已經小於0.1微米，也就是小於100納米。因此是納米電子時代，未來的IC大部分會由納米技術做成。但是為了達到納米的要求，半導體製程的改變須從基本步驟做起。每進步一個世代，製程步驟的要求都會變得更嚴格、更複雜。

曝光顯影：在所有的製程中，最關鍵的莫過於微影技術。這個技術就像照相的曝光顯影，要把IC工程師設計好的藍圖，忠實地製作在晶元上，就需要利用曝光顯影的技術。在現今的納米製程上，不只要求曝光顯影出來的圖形是幾十納米的大小，還要上下層結構在30公分直徑的晶圓上，對準的準確度在幾納米之內。這樣的精準程度相當於在中國大陸的面積上，每次都能精準地找到一顆玻璃彈珠。因此這個設備與製程在半導體工廠里是最複雜、也是最昂貴的。

半導體技術進入納米時代后，除了水平方向尺寸的微縮造成對微影技術的嚴苛要求外，在垂直方向的要求也同樣地嚴格。一些薄膜的厚度都是1~2納米，而且在整片上的誤差小於5%。這相當於在100個足球場的面積上要很均勻地鋪上一層約1公分厚的泥土，而且誤差要控制在0.05公分的範圍內。

蝕刻：另外一項重要的單元製程是蝕刻，這有點像是柏油路面的刨土機或鑽孔機，把不要的薄層部分去除或挖一個深洞。只是在半導體製程中，通常是用化學反應加上高能的電漿，而不是用機械的方式。在未來的納米蝕刻技術中，有一項深度對寬度的比值需求是相當於要挖一口100公尺的深井，挖完之後再用三種不同的材料填滿深井，可是每一層材料的厚度只有10層原子或分子左右。這也是技術上的一大挑戰。

除了精準度與均勻度的要求外，在量產時對於設備還有一項嚴苛的要求，那就是速度。因為時間就是金錢，在同樣的時間內，如果能製造出較多的成品，成本自然下降，價格才有競爭力。另外質量的穩定性也非常重要，不只同一批產品的質量要一樣，今天生產的IC與下星期、下個月生產的也要具有同樣的性能，因此質量管控非常重要。通常量產工廠對於生產條件的管制，包括原料、設備條件、製程條件與環境條件等要求都非常嚴格，不容任意變更，為的就是保持質量的穩定度。

電子組件進入納米等級后，在材料方面也開始遭遇到一些瓶頸，因為原來使用的材料性能已不能滿足要求。最簡單的一個例子，是所謂的閘極介電層材料；這層材料的基本要求是要能絕緣，不讓電流通過。使用的是由硅基材氧化而成的二氧化硅，在一般狀況下這是一個非常好的絕緣材料。

但因組件的微縮，使得這層材料需要越做越薄。在納米尺度時，如果繼續使用這個材料，這層薄膜只能有約1納米的厚度，也就是3~4層分子的厚度。但是在這種厚度下，任何絕緣材料都會因為量子穿隧效應而導通電流，造成組件漏電，以致失去應有的功能，因此只能改用其它新材料。但二氧化硅已經沿用了三十多年，幾乎是集各種優點於一身，這也是使硅能夠在所有的半導體中脫穎而出的關鍵，要找到比它功能更好的材料與更合適的製作方式，實在難如登天。

而且，材料是組件或IC的基礎，一旦改變，所有相關的設備與後續的流程都要跟著改變，真的是牽一髮而動全身，所以半導體產業還在堅持，不到最後一刻絕對不去改變它。這也是為什麼CPU會越來越燙，消耗的電力越來越多的原因。因為CPU中，晶體管數量甚多，運作又快速，而每一個晶體管都會「漏電」所造成。這種情形對桌上型計算機可能影響不大，但在可攜式的產品如筆記型計算機或手機，就會出現待機或可用時間無法很長的缺點。

也因為這樣，許多學者相繼提出各種新穎的結構或材料，例如利用自組裝技術製作納米碳管晶體管，想利用納米碳管的優異特性改善其功能或把組件做得更小。但整個產業要做這麼大的更動，在實務上是不可行的，頂多只能在特殊的應用上，如特殊感測組件，找到新的出路。

在半導體領域，“大數據分析”作為新的增長市場而備受期待。這是因為進行大數據分析時，除了微處理器之外，還需要高速且容量大的新型存儲器。在《日經電子》主辦的研討會上，日本中央大學教授竹內健談到了這一點。

例如，日本中央高速公路的笹子隧道崩塌事故造成了多人死亡，而如果把長年以來的維修和檢查數據建立成資料庫，對其進行大數據分析，或許就可以將此類事故防患於未然。全世界老化的隧道和建築恐怕數不勝數，估計會成為一個相當大的市場。

例如，在龐大的數據中搜索所需信息時，其重點在於如何製作索引數據。索引數據的總量估計會與原始數據一樣龐大。而且，索引需要經常更新，不適合使用隨機改寫速度較慢的NAND快閃記憶體。因此，主要採用的是使用DRAM的內存資料庫，但DRAM不僅容量單價高，而且耗電量大，所以市場迫切需要能夠替代DRAM的高速、大容量的新型存儲器。新型存儲器的候選有很多，包括磁存儲器(MRAM)、可變電阻式存儲器(ReRAM)、相變存儲器(PRAM)等。雖然存儲器本身的技術開發也很重要，但對於大數據分析，使存儲器物盡其用的控制器和中間件的技術似乎更加重要。而且，存儲器行業壟斷現象嚴重，只有有限的幾家半導體廠商能夠提供存儲器，而在控制器和中間件的開發之中，風險企業還可以大顯身手。

儘管有種種挑戰，半導體技術還是不斷地往前進步。分析其主要原因，總括來說有下列幾項。

先天上，硅這個元素和相關的化合物性質非常好，包括物理、化學及電方面的特性。利用硅及相關材料組成的所謂金屬氧化物半導體場效晶體管，做為開關組件非常好用。此外，因為性能優異，輕、薄、短、小，加上便宜，所以應用範圍很廣，可以用來做各種控制。換言之，市場需求很大，除了各種產業都有需要外，新興的所謂3C產業，更是以IC為主角。

因為需求量大，自然吸引大量的人才與資源投入新技術與產品的研發。產業龐大，分工也越來越細。半導體產業可分成幾個次領域，每個次領域也都非常龐大，譬如IC設計、光罩製作、半導體製造、封裝與測試等。其它配合產業還包括半導體設備、半導體原料等，可說是一個火車頭工業。

因為投入者眾，競爭也劇烈，進展迅速，造成良性循環。一個普遍現象是各大學電機、電子方面的課程越來越多，分組越細，並且陸續從工學院中獨立成電機電子與信息方面的學院。其它產業也紛紛尋求在半導體產業中的應用，這在全世界已經變成一種普遍的趨勢。

總而言之，半導體技術已經從微米進步到納米尺度，微電子已經被納米電子所取代。半導體的納米技術可以代表以下幾層意義：它是唯一由上而下，採用微縮方式的納米技術；雖然沒有革命性或戲劇性的突破，但整個過程可以說就是一個不斷進步的歷程，這種動力預期還會持續一、二十年。

此外，組件會變得更小，IC的整合度更大，功能更強，價格也更便宜。未來的應用範圍會更多，市場需求也會持續增加。像高速個人計算機、個人數字助理、手機、數字相機等等，都是近幾年來因為IC技術的發展，有了快速的IC與高密度的內存后產生的新應用。由於技術挑戰越來越大，投入新技術開發所需的資源規模也會越來越大，因此預期會有更大的就業市場與研發人才的需求。

半導體器件有許多封裝型式，從DIP、SOP、QFP、PGA、BGA到CSP再到SIP，技術指標一代比一代先進，這些都是前人根據當時的組裝技術和市場需求而研製的。總體說來，它大概有三次重大的革新：第一次是在上世紀80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝，極大地提高了印刷電路板上的組裝密度；第二次是在上世紀90年代球型矩正封裝的出現，它不但滿足了市場高引腳的需求，而且大大地改善了半導體器件的性能；晶片級封裝、系統封裝、晶元級封裝是第三次革新的產物，其目的就是將封裝減到最小。每一種封裝都有其獨特的地方，即其優點和不足之處，而所用的封裝材料，封裝設備，封裝技術根據其需要而有所不同。驅動半導體封裝形式不斷發展的動力是其價格和性能。

今年是摩爾法則(Moore’slaw)問世50周年，這一法則的誕生是半導體技術發展史上的一個里程碑。

這50年裡，摩爾法則成為了信息技術發展的指路明燈。計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，網際網路將全世界聯繫起來，多媒體視聽設備豐富著每個人的生活。這一法則決定了信息技術的變化在加速，產品的變化也越來越快。人們已看到，技術與產品的創新大致按照它的節奏，超前者多數成為先鋒，而落後者容易被淘汰。

這一切背後的動力都是半導體晶元。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上，那麼不僅個人電腦和移動通信不會出現，連基因組研究、計算機輔助設計和製造等新科技更不可能問世。有關專家指出，摩爾法則已不僅僅是針對晶元技術的法則；不久的將來，它有可能擴展到無線技術、光學技術、感測器技術等領域，成為人們在未知領域探索和創新的指導思想。

毫無疑問，摩爾法則對整個世界意義深遠。不過，隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一法則將會走到盡頭。摩爾法則何時失效？專家們對此眾說紛紜。早在1995年在芝加哥舉行信息技術國際研討會上，美國科學家和工程師傑克·基爾比表示，5納米處理器的出現或將終結摩爾法則。中國科學家和未來學家周海中在此次研討會上預言，由於納米技術的快速發展，30年後摩爾法則很可能就會失效。2012年，日裔美籍理論物理學家加來道雄在接受智囊網站採訪時稱，“在10年左右的時間內，我們將看到摩爾法則崩潰。”前不久，摩爾本人認為這一法則到2020年的時候就會黯然失色。一些專家指出，即使摩爾法則壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。