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林宗輝╱北美智權報 編輯部
近年來，隨着科技的快速發展和終端應用的不斷擴張，對半導體晶片的需求呈現爆發式增長。爲了滿足市場對更高性能、更低功耗晶片的需求，半導體制程技術不斷突破，各大晶圓代工龍頭紛紛投入先進製程的研發與量產。目前業界最先進的製程節點已達到3奈米，由臺積電率先實現量產。
然而，隨着電晶體尺寸的不斷微縮，當製程來到10奈米以下時，半導體產業面臨了前所未有的挑戰。受限於物理極限，量子效應、漏電流等問題日益嚴重，傳統的微縮方式難以爲繼。除了技術上的挑戰，先進製程的研發與生產成本也呈現指數級上升，加上晶片設計複雜度的增加，使得晶片設計和生產的門檻越來越高。業界普遍認爲，當前的摩爾定律正面臨重大瓶頸，延續晶片性能提升的道路舉步維艱。
最新制程技術路線圖
面對半導體產業的重重挑戰，國際知名的微電子研究中心IMEC在2023年發佈的半導體技術路線圖中指出，通過在電晶體結構、材料、製程等方面的一系列創新，半導體制程有望在2036年達到0.2奈米的里程碑。這一預測展現了IMEC對半導體技術發展潛力的信心，爲業界指明瞭一條突破物理極限的可行之路。
圖說：IMEC的規劃中要在2036年將製程推往0.2nm。/圖片來源：IMEC
在這份最新路線圖中，IMEC詳細闡述了從現在到2036年半導體技術的演進歷程，涵蓋了多個世代的製程節點和電晶體結構的發展。根據路線圖，當前主流的FinFET鰭式場效應電晶體結構將延續到3奈米節點。隨後，業界將引入全新的環繞柵極(Gate-All-Around， GAA)電晶體結構，以進一步提升電晶體的控制能力和性能。GAA電晶體採用了創新的立體結構，將溝道完全包裹在柵極中，從而實現更佳的電流控制和更小的漏電流。臺積電、三星等龍頭廠商都已宣佈在2奈米節點採用GAA電晶體。
展望未來，IMEC預計GAA結構將持續演進，並在1奈米以下節點採用更爲先進的Fork Sheet(叉狀片)結構，以進一步提升電晶體密度和性能。除了電晶體結構的創新，IMEC的路線圖還涵蓋了互補式場效應電晶體(CFET)的發展願景。CFET通過將N型和P型電晶體垂直堆疊，大幅提升了電晶體密度，有望在0.7奈米及以下節點得到廣泛應用。此外，IMEC還展望了採用二維材料(如二硫化鎢、二硒化鉬等)電晶體溝道的前景。這些只有單原子層厚度的材料具有優異的電學特性，有望在終極的縮小化尺度上取代傳統矽基材料，推動摩爾定律的延續。
ASML高NA EUV曝光機的關鍵作用
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在半導體制程不斷推進的過程中，曝光技術扮演着至關重要的角色。作爲半導體制程微縮的核心推動力，先進的曝光技術爲晶片性能的不斷提升提供了重要保障。荷蘭曝光設備巨頭ASML公司開發的極紫外光(EUV)曝光機，已成爲當前最先進製程的關鍵裝備。然而，隨着製程的進一步微縮，現有的EUV曝光機也面臨着解析度的極限。
爲此，ASML正在開發NA值高達0.55的下一代EUV曝光機，預計將在2025年實現量產。0.55 NA EUV曝光機的解析度可以比現有0.33機型提高約70%，有望將EUV曝光技術的應用拓展到1奈米以下的節點。高NA EUV曝光機的研發是一項極具挑戰性的任務，需要在光學系統、光罩、光阻等諸多方面實現重大創新和突破。爲了實現0.55的超高NA值，ASML採用了一種創新的光學設計方案，使用了更大尺寸、非球面的反射鏡，並引入了新型的曝光光源。同時，高NA曝光對光罩的平坦度和缺陷控制提出了更高的要求，光罩製程技術也需要相應升級。此外，高NA曝光還需要與之配套的新型高解析度曝光膠材料。爲了應對這些挑戰，ASML與上下游產業鏈緊密合作，共同推動技術的發展和成熟。
根據ASML的規劃，首臺0.55 NA EUV曝光機將於2023年下線，隨後將交付給IMEC和晶圓代工龍頭企業進行製程技術驗證和開發。預計到2025年，高NA EUV曝光機將實現商業化量產，並在2奈米以下節點得到廣泛應用。屆時，高NA EUV曝光技術將與創新的電晶體結構(如GAA、CFET等)相結合，攜手推動摩爾定律的延續，引領半導體制程技術邁向更微觀的尺度。
半導體產業的未來展望
儘管IMEC和ASML提出了突破性的技術路線圖和機臺研發計劃，爲半導體產業指明瞭前進的方向，但我們也必須謹慎地看待這些願景能否如期實現。畢竟，半導體制程的微縮之路面臨着諸多前所未有的挑戰，每一步都充滿了不確定性。
新材料、新結構、先進封裝等創新技術的研發和應用，都需要大量的時間和資源投入，同時也面臨着技術可行性和成本效益的考驗。異質整合、三維堆疊、系統級封裝等新興方向，雖然有望突破傳統微縮的瓶頸，但其複雜度和可靠性也帶來了新的挑戰。產業鏈各環節的協同創新，以及產學研的緊密結合，雖然是攻克難題的關鍵，但如何有效整合各方資源，打造高效的創新生態系統，仍然是一個巨大的考驗。
此外，半導體產業的發展還面臨着地緣政治、市場波動、人才短缺等多方面的不確定因素。貿易摩擦、技術脫鉤、疫情衝擊等外部環境的變化，都可能對全球半導體供應鏈造成重大影響。而隨着技術門檻的提高，半導體人才的培養和儲備，也成爲了制約產業發展的潛在瓶頸。
MIT Techreview 中文版研究經理
財訊雙週刊撰述委員
美國波士頓Arthur wood 投資顧問公司分析師
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