如今已近九旬高齡的英特爾（Intel）共同創(chuàng)辦人Gordon Moore在1965年發(fā)表了一篇文章，提出了IC上晶體管數(shù)量會(huì)在接下來(lái)十年依循每年增加一倍的規(guī)律發(fā)展，其后這個(gè)理論根據(jù)數(shù)次演變，成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界奉為圭臬的「摩爾定律」（Moore’s Law），伴隨IC市場(chǎng)經(jīng)歷半世紀(jì)的蓬勃發(fā)展，催生無(wú)數(shù)讓大眾日常生活更加便利、更豐富多彩的科技。

2015年，摩爾定律歡慶50周年，Moore本人在接受IEEE期刊《Spectrum》專訪時(shí)表示，其實(shí)他在發(fā)表那篇文章的時(shí)候只是分享一個(gè)趨勢(shì)觀察，因?yàn)楫?dāng)時(shí)IC技術(shù)正在改變整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)模式、卻未被普遍承認(rèn)；而他完全沒有想到那樣的一個(gè)理論居然被記得那么久，甚至被稱為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的「定律」。

不過摩爾定律畢竟不是以嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)程序所定義的真正「定律」，Moore自己也說，那只是一種觀察與推測(cè)；許多人預(yù)測(cè)摩爾定律將在2015至2020年失效，而在2012年左右，摩爾定律開始出現(xiàn)速度趨緩的明顯跡象，當(dāng)年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)營(yíng)收暨2011年僅2.1%的成長(zhǎng)之后不升反降，出現(xiàn)了2.6%的負(fù)成長(zhǎng)，接下來(lái)幾年的營(yíng)收表現(xiàn)也一片低迷，不但不復(fù)以往動(dòng)輒兩位數(shù)字的成長(zhǎng)表現(xiàn)，在2015年還再度出現(xiàn)了2.3%的負(fù)成長(zhǎng)。

半導(dǎo)體廠商們發(fā)現(xiàn)，要維持摩爾定律繼續(xù)推進(jìn)的成本變得越來(lái)越龐大，制程微縮不再跟隨著晶體管單位成本跟著降低的效應(yīng)，產(chǎn)業(yè)界從32/28納米節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)22/20納米制程節(jié)點(diǎn)時(shí)，首度遭遇了成本上升的情況；業(yè)界專家們將原因指向了遲遲未能「上臺(tái)面」的極紫外光（EUV）微影技術(shù)，就因?yàn)樵撔乱淮⒂凹夹g(shù)仍未能順利誕生，使得22納米以下的IC仍得透過多重圖形（multi-patterning）方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這意味著復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程、高風(fēng)險(xiǎn)，以及高昂的成本。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)International Business Strategies （IBS）的資深半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分析師Handel Jones估計(jì)，當(dāng)半導(dǎo)體制程走向5納米節(jié)點(diǎn)，IC設(shè)計(jì)成本將會(huì)是目前已經(jīng)非常高昂之14/16納米制程設(shè)計(jì)成本的三倍（圖1），因此設(shè)計(jì)業(yè)者「需要有非常大量的銷售額才能回收投資?！?/p>

圖1：IC設(shè)計(jì)成本越來(lái)越高 （來(lái)源：International Business Strategies）

摩爾定律究竟還能走多遠(yuǎn)？一旦摩爾定律正式走入歷史，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)該如何繼續(xù)向前邁進(jìn)？而在所謂的「后摩爾定律時(shí)代」，IC業(yè)者面臨的挑戰(zhàn)是什么？又該如何因應(yīng)？

EUV微影何時(shí)救場(chǎng)？

在一場(chǎng)1月初于美國(guó)加州舉行、由國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）主辦的年度產(chǎn)業(yè)策略高峰會(huì)（Industry Strategy Symposium，ISS）上，來(lái)自半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的專家指出，如果EUV技術(shù)在2020年順利問世，半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)還能持續(xù)到2025年。

產(chǎn)業(yè)顧問機(jī)構(gòu)IC Knowledge總裁Scotten Jones在該場(chǎng)高峰會(huì)上表示：「我不認(rèn)為摩爾定律已死，從事深度技術(shù)研發(fā)的人也不認(rèn)為；」他指出，大廠英特爾（Intel）與Globalfoundries都透露半導(dǎo)體制程在后14納米（post-14nm）節(jié)點(diǎn)能達(dá)到成本節(jié)省，「我相信我們有方法制造出讓成本降低的新一代晶體管?！?/p>

Jones預(yù)測(cè)5納米節(jié)點(diǎn)將在2019年開始在某些制程步驟采用EUV技術(shù)，或許仍得采用某種形式的FinFET晶體管；至于再往下到3.5納米節(jié)點(diǎn)，將會(huì)進(jìn)展至采用水平納米線（horizontal nanowire），而該節(jié)點(diǎn)應(yīng)該會(huì)是經(jīng)典半導(dǎo)體制程微縮的終點(diǎn)；其后2.5納米節(jié)點(diǎn)堆棧n型與p型納米線，可望在2025年將晶體管密度增加60~70%。

對(duì)于EUV究竟何時(shí)能正式「上陣」，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Semiconductor Advisors的分析師Robert Maire認(rèn)為：「EUV微影真正開始量產(chǎn)應(yīng)該是會(huì)在2020年；」他指出，臺(tái)積電（TSMC）已經(jīng)宣布了將在5納米節(jié)點(diǎn)采用EUV微影的計(jì)劃；而英特爾則可能會(huì)在7納米采用EUV微影，與臺(tái)積電的5納米節(jié)點(diǎn)量產(chǎn)時(shí)程相當(dāng)，時(shí)程預(yù)計(jì)是在2019年。

圖2：各家半導(dǎo)體大廠先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)量產(chǎn)時(shí)程 （來(lái)源：ISS、各家公司）

而Globalfoundries技術(shù)長(zhǎng)Gary Patton在2016年10月來(lái)臺(tái)與本地媒體分享該公司最新技術(shù)與策略方向時(shí)則表示，他預(yù)期EUV微影技術(shù)要到2019年才會(huì)邁入成熟，而Globalfoundries在該時(shí)間點(diǎn)之前就會(huì)量產(chǎn)的7納米制程應(yīng)該不會(huì)采用該技術(shù)。

目前在市場(chǎng)上只有來(lái)自荷蘭的設(shè)備業(yè)者ASML能供應(yīng)EUV微影系統(tǒng)，是該公司投入了三十年時(shí)間與龐大研發(fā)成本的成果，而該公司甚至獲得了英特爾、臺(tái)積電與三星（Samsung）等半導(dǎo)體大廠的聯(lián)合投資，這些股東們的首要目標(biāo)就是加速EUV技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。ASML發(fā)言人表示：「我們預(yù)期EUV微影將在個(gè)位數(shù)納米制程節(jié)點(diǎn)被應(yīng)用于內(nèi)存中的兩個(gè)或更多層；而在最先進(jìn)的邏輯制程節(jié)點(diǎn)（7或5納米），則被應(yīng)用于6~9層。」

ASML的第一代（采用0.33NA光學(xué)鏡片、實(shí)現(xiàn)約13納米的線寬） EUV微影設(shè)備NXE:3400B將在今年正式出貨，預(yù)期吞吐量可達(dá)每小時(shí)125片晶圓、微影迭對(duì)（overlays）誤差容許度在3納米以內(nèi)；該公司表示已有4家邏輯芯片制造商、2家內(nèi)存芯片制造商表示將在2018年左右采用第一代EUV系統(tǒng)進(jìn)行量產(chǎn)。

圖3：ASML的EUV微影設(shè)備發(fā)展藍(lán)圖 （來(lái)源：ASML）

采用今日的浸潤(rùn)式微影設(shè)備需要以多重光罩才能實(shí)現(xiàn)的電路圖形，若采用0.33NA的EUV系統(tǒng)預(yù)期只需要單一光罩步驟就可完成；不過半導(dǎo)體制程若再繼續(xù)往更細(xì)微節(jié)點(diǎn)邁進(jìn)，就算采用EUV設(shè)備也可能需要多重圖形步驟。

為此ASML于去年11月就宣布以11億美元收購(gòu)光學(xué)大廠蔡司（Carl Zeiss）的24.9%股份，雙方將連手研發(fā)數(shù)值孔徑（numerical aperture，NA）高于0.5的版本，不過此第二代EUV微影要到2024年以后才會(huì)量產(chǎn)，將能實(shí)現(xiàn)約8納米的線寬，預(yù)期產(chǎn)量為每小時(shí)185片晶圓產(chǎn)量、迭對(duì)誤差容許度小于2納米。

ASML技術(shù)長(zhǎng)Martin van den Brink在發(fā)表上述合作案時(shí)的新聞聲明中指出，新一代（0.5NA）系統(tǒng)將「可在次3納米節(jié)點(diǎn)為芯片制造商避免復(fù)雜且昂貴的0.3NA系統(tǒng)多重圖形步驟，以單次曝光支持高生產(chǎn)力，并可降低單位成本。」

不過市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)VLSI Research總裁Risto Puhakka表示，產(chǎn)業(yè)界人士仍廣泛預(yù)期，在第二代EUV系統(tǒng)于2024年左右問世以前，恐怕還是得使用第一代0.33NA微影系統(tǒng)進(jìn)行多重圖形?！钢皇切枰獛字貓D形、以及會(huì)需要多久時(shí)間？」他也指出，以往ASML不曾直接投資供應(yīng)鏈上的任何廠商，而且是以大手筆收購(gòu)高比例股份，顯見要打造更新一代EUV系統(tǒng)是高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)，而且ASML勢(shì)在必得。

看來(lái)如果一切順利，2018年就能看到第一批采用EUV微影設(shè)備量產(chǎn)的先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)IC；但機(jī)臺(tái)尺寸幾乎等同一間小房間的EUV，一臺(tái)要價(jià)超過1億美元（至少31億臺(tái)幣），這意味著除非是財(cái)力夠雄厚的半導(dǎo)體廠商，很難負(fù)擔(dān)此尖端技術(shù)的投資。

而千呼萬(wàn)喚始出來(lái)的EUV微影設(shè)備就算真的在2018年之后順利上線量產(chǎn)，在終端應(yīng)用市場(chǎng)如PC、智能型手機(jī)等成長(zhǎng)停滯、缺乏大量需求的趨勢(shì)下，采用該設(shè)備之先進(jìn)制程初期成本與風(fēng)險(xiǎn)勢(shì)必仍然偏高，IC業(yè)者如果想只靠EUV來(lái)維持摩爾定律「制程越微縮、晶體管單位成本越低」的理論，恐怕并不容易。

所以，除了「?jìng)鹘y(tǒng)」的半導(dǎo)體制程微縮，IC廠商們還有什么別的方法能維持利潤(rùn)？