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)量會在接下來十年依循每年增加一倍的規(guī)律發(fā)展，其后這個理論根據(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市場經(jīng)歷半世紀(jì)的蓬勃發(fā)展，催生無數(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》專訪時表示，其實他在發(fā)表那篇文章的時候只是分享一個趨勢觀察，因為當(dāng)時IC技術(shù)正在改變整個電子產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟模式、卻未被普遍承認(rèn)；而他完全沒有想到那樣的一個理論居然被記得那么久，甚至被稱為驅(qū)動產(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；許多人預(yù)測摩爾定律將在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)營收暨2011年僅2.1%的成長之后不升反降，出現(xiàn)了2.6%的負(fù)成長，接下來幾年的營收表現(xiàn)也一片低迷，不但不復(fù)以往動輒兩位數(shù)字的成長表現(xiàn)，在2015年還再度出現(xiàn)了2.3%的負(fù)成長。

半導(dǎo)體廠商們發(fā)現(xiàn)，要維持摩爾定律繼續(xù)推進的成本變得越來越龐大，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)點邁進22/20納米制程節(jié)點時，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「上臺面」的極紫外光（EUV）微影技術(shù)，就因為該新一代微影技術(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）方法來實現(xiàn)，這意味著復(fù)雜的設(shè)計流程、高風(fēng)險，以及高昂的成本。

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

圖1：IC設(shè)計成本越來越高 （來源：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？而在所謂的「后摩爾定律時代」，IC業(yè)者面臨的挑戰(zhàn)是什么？又該如何因應(yīng)？

EUV微影何時救場？

在一場1月初于美國加州舉行、由國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）主辦的年度產(chǎn)業(yè)策略高峰會（Industry Strategy Symposium，ISS）上，來自半導(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)演進還能持續(xù)到2025年。

產(chǎn)業(yè)顧問機構(gòu)IC Knowledge總裁Scotten Jones在該場高峰會上表示：「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)點能達到成本節(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5納米節(jié)點將在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，將會進展至采用水平納米線（horizontal nanowire），而該節(jié)點應(yīng)該會是經(jīng)典半導(dǎo)體制程微縮的終點；其后2.5納米節(jié)點堆棧n型與p型納米線，可望在2025年將晶體管密度增加60~70%。

對于EUV究竟何時能正式「上陣」，市場研究機構(gòu)Semiconductor Advisors的分析師Robert Maire認(rèn)為：「EUV微影真正開始量產(chǎn)應(yīng)該是會在2020年；」他指出，臺積電（TSMC）已經(jīng)宣布了將在5納米節(jié)點采用EUV微影的計劃；而英特爾則可能會在7納米采用EUV微影，與臺積電的5納米節(jié)點量產(chǎn)時程相當(dāng)，時程預(yù)計是在2019年。

圖2：各家半導(dǎo)體大廠先進制程節(jié)點量產(chǎn)時程 （來源：ISS、各家公司）

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

目前在市場上只有來自荷蘭的設(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)的實現(xiàn)。ASML發(fā)言人表示：「我們預(yù)期EUV微影將在個位數(shù)納米制程節(jié)點被應(yīng)用于內(nèi)存中的兩個或更多層；而在最先進的邏輯制程節(jié)點（7或5納米），則被應(yīng)用于6~9層?！?/p>

ASML的第一代（采用0.33NA光學(xué)鏡片、實現(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)期吞吐量可達每小時125片晶圓、微影迭對（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)進行量產(chǎn)。

圖3：ASML的EUV微影設(shè)備發(fā)展藍(lán)圖 （來源：ASML）

采用今日的浸潤式微影設(shè)備需要以多重光罩才能實現(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)點邁進，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年以后才會量產(chǎn)，將能實現(xiàn)約8納米的線寬，預(yù)期產(chǎn)量為每小時185片晶圓產(chǎn)量、迭對誤差容許度小于2納米。

ASML技術(shù)長Martin van den Brink在發(fā)表上述合作案時的新聞聲明中指出，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。」

不過市場研究機構(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)進行多重圖形。「只是需要幾重圖形、以及會需要多久時間？」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高比例股份，顯見要打造更新一代EUV系統(tǒng)是高風(fēng)險任務(wù)，而且ASML勢在必得。

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

而千呼萬喚始出來的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)用市場如PC、智能型手機等成長停滯、缺乏大量需求的趨勢下，采用該設(shè)備之先進制程初期成本與風(fēng)險勢必仍然偏高，IC業(yè)者如果想只靠EUV來維持摩爾定律「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「傳統(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？