半导体行业：高效扩张 超越摩尔定律

　　手机要传输电话，首先得有一个模拟-数字转换器，把声音压力和频率转换成数字信号，还要有天线、麦克风、扩音器、板载通信系统等等。为了用户下载和使用应用程序，手机还得配备加速度计、图形处理器、视频处理器、大量内存，等等。所有这些功能性的电子元器件必须尽可能微型化，手机才不至于太过笨重，才能将能耗降至最低并高效散热，当然，生产组装成本也才有可能低廉。

　　半导体厂商所面对的，是汽车行业、保健应用以及方兴未艾的“物联网”对于电子元器件的挑战性需求呈无止境的增加。它们必须在缩小体积、降低能耗与生产成本剧增之间达成某种平衡。

　　摩尔定律（英特尔共同创始人高登·摩尔预测，芯片上的晶体管数量每十年会翻一番）是一方面，不过很明显，晶体管的数量增加，密度也相应增加，那么个体尺寸和刻蚀（也就是线宽）都必须变小。线宽降到不足1微米，再到1纳米，低了三个量级！今天，绝大多数线宽在180纳米到65纳米或者45纳米之间。只有极少数厂商（英特尔、IBM、台积电和三星）有能力大规模生产20、22纳米甚至14纳米的线宽。

　　这场微型化竞赛使得厂商面临新的重大挑战。“在过去的50年里，整个半导体行业做的是金属氧化物晶体管，对固态硅片进行蚀刻。但摩尔定律告诉我们总有达到晶体管极限——20纳米左右——的那天，物理体积限制使得无法再提升晶体管电路的性能。”意法半导体有限公司执行副总裁、负责主板系统制造和技术研发的Joel Hartmann解释道。“目前已经找到了一些解决办法，使得我们可以跨越20纳米这个障碍，在限制闸极漏电的同时还能提升晶体管的表现水准。”言外之意，它将带领我们超越摩尔定律。

　　持续增长的全球需求

　　当然，走到这一步还需要时间。投产前的设计、研发、测试和检定原型样品，尤其是厂房设备的建造和准备，以及生产线调试和启动都非朝夕之事，所以明智的做法是未雨绸缪。英特尔用了15年的时间才实现22纳米标准刻蚀程序的投产和量产。

　　伴随这一新挑战的，是持续增长的市场需求。Gartner公司指出，2013年世界半导体的销售增长了5%，市场价值达到了3150亿美元。半导体市场不再局限于电脑设备和消费性电子产品。手机的普及、汽车、保健等部门电子电路运用的增加，加上物联网——到2020年5000亿个各种用途的智能设备——世界经济中惊人庞大的部分都会涉及到半导体的使用。

　　为了满足这些需求，半导体厂商们正在准备增加投资。每一代新工厂比前一代的成本要翻一番。到了2020年，一条生产线的建设成本恐怕需要100亿美元。这使得那些大型集团不得不联合起来，分担必须的投资。“到目前为止，半导体厂商们已经完成了特定技术分工；明天，恐怕只会有一个技术基地，一个微电子基地，这就跟汽车发动机的情形相类似；各种参与者将以用途、市场和客户来作区分，”IBM位于苏黎世的高级功能材料研究实验室的研究主管 Jean Fompeyrine预测道。

　　这个趋势将对欧洲人产生很大的影响。2014年年初，为了给欧盟施压，一群来自业内的董事会主席和首席执行官们创立了电子工业领导者集团（Electronics Leaders Group，FLG），促使其在该领域继续采取大手笔的做法。他们宣称自己的目标是，让欧盟在微电子领域成为一个主要的参与者，把现有的本土元器件产量在2020年之前翻一番，并创造25万个左右的相关工作机会。现在的问题是，得让欧盟的法律更具灵活性，尤其是在获取公共资金和拨款方面。这些企业家认为目前的法规限制颇多，他们正计划在欧盟外的国家开办工厂，对方将提供补贴，并因此而产生显著的财务优势。

　　超越固体物理学极限

　　一个市场必须解决的问题是：在未来的几年时间里，制造商数量开始集中，但市场对芯片的需求却日益增长，那么如何才能用足够低廉的成本，生产、组装出足够多的、功能强大的芯片呢？

　　这涉及芯片制造的好几个方面，首先是硅片，这种半导体材料经熔炼、浇铸成圆柱体，然后切割成片，每片仅几百微米厚。复杂的集成电路蚀刻在这些片状衬底上。这些衬底的直径目前已从150毫米增加到了200-300毫米。直径越大，一次蚀刻的电路就越多，每片的成本也就越低。目前正在研究把衬底直径增加到450毫米的技术可行性。若是成功，将会导致成本下降近30%，但也意味着所有的生产设备需要根据新规格做调整。几年前450毫米硅片大规模生产线推出时业内那种热情已经很难再现，分析人士指出，新设备的投入在120亿美元到140亿美元之巨……

　　另一个阻碍是，现有的蚀刻设备一般无法精确进行10纳米以下的作业，即使能够做到，成本也太大。正在研发中的EUV技术在未来必定会取代传统蚀刻手段。该技术以接近1兆瓦的二氧化碳激光束，在真空状态下轰击锡目标，产生的13纳米波长X光，通过反射镜捕捉后，将其引向硅衬底。“这是一种极其复杂的技术，我们尚未掌握如此强大的适用于大规模工业生产的激光。目前世界上只有荷兰公司ASML正在试图从工业角度掌握这项技术！” Joel Hartmann解释。