摩尔定律的三种发展方向，EUV制程技术势在必行

从2017到2018年，全球IC制造产业资本投资规模达到高峰，近两年总投资均超过920亿美元规模。目前中国***IC制造产业仍以晶圆代工贡献最主要产值，随着创新应用的发展，对于制程的需求也一直不断攀升，纵观2018年后的应用趋势，半导体发展将更加多元，随着先进制程来到10纳米之下，制程微缩瓶颈浮现，同时复杂的图形造成曝光次数增加，光罩成本随之倍增，让半导体产业向来信守的摩尔定律（Moore’s Law）变得窒碍难行，极紫外光（extreme ultraviolet；简称EUV）E技术被视为摩尔定律继续往下走的关键，EUV制程技术势在必行。

新应用对IC制造技术的影响

随着7纳米之后的解决方案讨论开始浮上台面，EUV微影技术等设备将加速2019年之后先进制程的量产。EUV微影技术的实用化，需整合研发光源、光学系统、光罩、光阻、曝光装置等各项技术，然而制程微缩除了对制程稳定度带来压力外，在成本控管上亦是相当严肃的课题。采用新式材料与技术成为研发的另一方向，纳米碳材、宽能隙材料的导入，将有助于延续摩尔定律。

***地区工研院产业经济与趋势研究中心（IEK）资深产业分析师刘美君指出，纵观2018年以后的趋势，会发现人工智能、物联网、智慧汽车、高速运算等应用，将促进半导体产业发展更多元。未来AI将整合IoT技术发展，应用以工业、智慧城市等领域为主，分析各公司AI芯片发展，会发现所需制程几乎还是以10纳米以下为主流；但并非所有产业都需要最先进的制程，预估到2021年，45纳米和22纳米仍是产能占比最多的制程，在发展上最成熟稳定、良率亦是最高；10纳米和14纳米制程会成为要角，有急速攀升的趋势，而年复合成长率最快的则是7纳米制程。

导入EUV技术，仍有诸多难题

在过去两年间，台积电为了拉大和竞争对手的距离，着重在10纳米以下制程能力的提升，特别是7纳米与5纳米量产技术的研发生产。对晶圆代工产业而言，制程能力将影响未来客户下单的选择，但关键在于良率够高、速度要够快，客户对于7纳米世代的制程需求亦有极高的期待，为了突破微缩制程在7纳米的瓶颈，EUV技术的需求因此产生。

但就现阶段来看，要藉由EUV实现7纳米以下微缩制程，仍有许多棘手的问题待克服。除了生产性降低、成本增加、产能对半砍，EUV还有曝光装置耗电太大的问题。刘美君进一步解释，假设EUV光源效率以0.1%来计算，若期望输出功率为150W的EUV光源，则需使用150kW的电力，以一般量产所需10台曝光机的基本数量来看，则需消耗1500kW电力。先前媒体曾报导，全***用电过去五年的增加量，约三分之一由台积电贡献，导入EUV微影技术后用电还会暴增，根据台积电评估，计划于2020年量产的5纳米制程，用电会是目前主流制程的1.48倍 。

此外，还有光罩防尘薄膜的难题存在。使用薄膜（Pellicle）最主要有两种目的，除了增加芯片生产良率，还能减少光罩于使用时的清洁和检验，不过在高功率的EUV光源下，Pellicle也有可能从自身产生微尘（Particle），造成光罩的污染，因此EUV若要进入量产，微尘的控制就会变得非常重要。

摩尔定律的三种发展方向

1975年，英特尔（Intel）创办人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出摩尔定律：随着制程的进步，集成电路上可容纳的电晶体数目，约每隔一年半会增加一倍；若换算为成本，即每隔一年半可降低五成，平均每年可降低三成。就摩尔定律延伸，IC技术每隔一年半就会推进一个世代。但摩尔定律是否仍适用于目前的半导体制程生态呢？已退休的台积电董事长张忠谋认为，摩尔定律早已无效，必须跳脱摩尔定律对于集积度的执着，只从应用看整合，也就是“创造横向应用”来克服已经失效的摩尔定律。

刘美君分析，若要延续摩尔定律，会遇到7纳米制程的抉择困境。首先是设备难度提高，先进曝光机、刻蚀机等设备研发技术难度大，依据Intel官方计算过去研发10纳米的制程，光罩成本至少要10亿美元，若10纳米制程的芯片产量低于1，000万片，平均每片芯片上的光罩成本就高达100美元，一旦7纳米的良率和产能无法提升，单颗芯片的成本将会十分高昂。而根据研究机构推算，10纳米芯片的总设计成本约为1.2亿美元，7纳米芯片则为2.71亿美元，较10纳米高出两倍之多！

因此7纳米之后的发展，有三种可能方向。首先是延续原有CMOS技术的发展概念，持续朝向摩尔定律方向进行高集积度的IC元件设计，但7纳米以后物理极限问题会渐趋严重。第二种是由应用需求驱动未来芯片设计功能的多样化，例如透过3D IC等封装新技术，整合Power、传感器（Sensor）、致动器（actuator）等功能进入芯片设计与制造。最后一种则是跳脱原有以硅（Si）为基础的CMOS元件制程，进入21世纪的碳素时代，以新材料、新技术来创造更高性能、低能耗的制造型态，同时又要能与现有制程相容，并具备成本优势。

7纳米以后IC制造技术的可能发展方向

寻找下世代的半导体材料

随着IoT产品普及速度加快，元件耗电问题成为下阶段半导体发展的重要课题，2020年后的电子元件，将聚焦在超低功耗的解决方案开发。刘美君指出，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽能隙功率元件，拥有较耐高温、耐高压、电阻小、电流大与低耗电等特性，相当适合高频元件使用。2017年SiC Power市场规模达到275亿日元，主要以通讯领域为大宗，预估在2030年将会扩大至2，270亿日元。而GaN Power则是在200V的低耐压及600V以上的中耐压领域逐渐扩大市场规模，2017年GaN全球市场规模预估为18亿日元，未来可朝向医疗器材发展，2030年时可望成长至1，300亿日元。

总结而言，未来IC制造业投资风向从传统消费性电子产品走向多元与新兴应用，2018年的应用产品潮流，从过去的消费性电子转向AI、IoT产品加值的领域进行延伸，对于芯片的规格需求，除了元件微小化外，高速运算与传输、多重元件异质整合、低功耗等特性，更是未来在产品与制程设计上需考量的课题。