|
1965年，戈登·摩尔（Intel公司的创始人之一）注意到他手下的工程师们(其中的大多数成为了Intel公司的第一批雇员)能够取得每一年使集成电路上的晶体管数量翻一倍的成绩。根据他对行业和制造工艺的了解，他提出了一个构想——这种增长速度将在未来的10年左右继续维持下去，而晶体管尺寸的缩小和集成度的增加势必会让集成电路变得更加便宜、功能更强大，而且模块化程度将更高。
40多年过去了，半导体工业的发展突破了一个又一个看似不可能跨越的瓶颈，神奇地遵循着摩尔定律，然而一些学者指出，摩尔定律现在已经面临危机，那么为什么会有这样的说法，有没有好的办法去摆脱这个危机呢？这就是本文要告诉大家的。
一、Moore定律的意义及其面临的危机
1.什么是Moore定律
必须指出，摩尔定律并不是科学界或自然界的一个定律，它只是一种经验的总结，描述了由不断改进的半导体工艺所带来的一个指数级增长的独特的发展趋势。它第一次在书面上出现是在戈登·摩尔为美国“Electronics”杂志35周年庆写的一篇文章里，到了1975年，半导体工艺的改进使得集成元件数一度稍微超出预言的方向，于是摩尔将翻倍的周期调整到了24个月以补偿预计将增加的半导体技术复杂性，而在上世纪80年代晚期，它被最终确定为18个月左右。
2.Moore定律所面临的危机
毫无疑问，在过去的四十年里，摩尔定律成为了科技进步速度的推动力。然而传统的光刻技术正在日益成为半导体制造工艺的瓶颈，在从0.18微米到0.13微米的工艺转换过程中各大厂商都碰到了很多困难（如现阶段CPU制造过程中晶体管本身存在的漏电问题），而最新的90nm制造工艺也迟迟无法投入量产。这一困难导致的直接后果就是半导体芯片价格的一味高涨。Moore定律再一次面临严峻的挑战，如果没有技术突破，这一领导行业40多年的经验公式将不再有效。
山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。正在这个关键的时刻，普林斯顿大学纳米结构实验室的博士Steven·Chou和Chris·Keimel研制出了在硅晶片上印下图样的一种新方法。这种被称为LADI(Laser Assisted Direct Imprint，激光辅助直接模印)的方法能够精细到目前所能达到的最微细光刻工艺的1/100大小、使用低成本的仪器并以非常快的速度加工硅晶体，而由Intel、Motorola和IBM共同建立的研发团体则开发了另一种被称为EUV(Extreme Ultraviolet,远紫外光刻技术)的新方法，它将使用一种波长低于目前研究波长1/10的光波。相较而言，LADI由于不需要昂贵的光学仪器系统就能够达到10nm大小的图样(已经低于现在最好的EUV实验设备的成果)而更有希望成为下一代主流制造工艺。
二、CPU是怎么制造出来的？
在了解LADI之前，让我们一起来看看CPU究竟是怎么制造出来的，它主要包括设计、刻蚀、掺杂以及切割封装几个工艺流程。
1.设计
我们知道CPU的核心是一块小小的硅晶体，它的内部集成了无数的晶体管，这些晶体管构成了很复杂的数字逻辑电路。
然而这和我们怎么使用电脑有什么关系呢？当我们玩游戏、看影碟或欣赏3D动画时，CPU又该如何才能知道我们的实际需求并加以实现呢？这一切都有赖于IC设计师们的工作。
IC设计便是将这些基于具体应用的系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的硅晶体版图、直至最终物理实现的过程。为了完成这一过程，人们研究出了层次化和结构化的设计方法：层次化的设计方法能使复杂的系统简化，并能在不同的设计层次及时发现错误并加以纠正；结构化的设计方法是把复杂抽象的系统划分成一些可操作的模块，允许多个设计者同时设计，而且某些子模块的资源可以共享。下面列举了一个通用的IC设计流程，它很形象地说明了这一点。
2.刻蚀（光刻） 在IC设计完成之后，我们还需要对设计图进行微缩摄影，把一幅有着非常复杂设计模型的原图缩小成极细微的光刻掩膜。下面就是如何把这个设计图完整的复制在硅晶体上面了。
这些硅晶体通常是一片一片利用激光器从硅柱上切下来的超纯圆片，每一个硅片都可以制作最少数十个CPU，我们首先必须想法在硅片上制作一层绝缘层(SiO2，二氧化硅)，随后我们还会在二氧化硅层上面镀上一种称为“光刻胶”的材料。这种材料在经过紫外线照射后会变软、变粘。然后就是贴上光刻掩膜之后将硅片曝光于紫外线下，由于掩膜的存在，紫外线只能够照射到硅片的某些区域，这样便形成了设计图的潜在映像。在随后用特殊的溶液将这些变软变粘的光刻胶“块”和二氧化硅除去之后，电路便裸露出来了。由于现在的CPU结构都比较复杂，通常都由不止一层电路组成，因此光刻掩膜和刻蚀工艺往往要重复很多次，而任意一步的加工不良都足以导致整块CPU报废。 必须指出，制造更加强劲的CPU的关键在于用来照射硅晶圆的紫外光的波长，波长较短的紫外线能在硅晶圆上蚀刻出更多的晶体管和更精细的微结构，它们将组成一个更强劲、更快的CPU。这就是有着4200万晶体管的Pentium 4处理器比仅有2800万晶体管的Pentium Ⅲ更快的原因。
从2001年开始，刻蚀技术开始向远紫外线方向发展，0.18和0.13微米的制造工艺都采用了一种波长为240nm的紫外光，有消息称它最多能够实现100nm的微结构，而在使用更短波长的紫外光时，科学家们遇到了一个难于克服的问题——这种波长更短的紫外光大多被用于聚焦的玻璃透镜吸收了，从而无法顺利地照射到晶圆的表面并蚀刻出图案。 3.掺杂
要形成晶体管，我们必须在纯净的硅上掺入其它杂质，这一工序从硅片上已曝露的区域开始，首先倒入化学离子混合液，以掺入金属离子，从而改变掺杂区的导电方式，使得每个晶体管都可以进行通、断等操作。将此工艺一次又一次地重复，以制成该CPU的许多层。不同层可通过开启的窗口连接起来。电子则以高速在不同的层面间上下流动。这些小窗口是通过重复进行“掩膜”、“刻蚀”步骤开启的。窗口开启后就可以填充它们了，窗口中填充的一般是最普通的金属——铝或铜。 4.切割和封装 我们知道一块晶圆上实际上不止一个CPU，因此我们还需要用激光把这些晶圆切成一小块一小块的硅晶体(也就是现在我们常常说的CPU Die)，经过检测之后的Die将会被封入一个陶瓷或塑料的封套中并连上引脚，便成了我们所熟知的CPU了。 三、发展中的光刻工艺
在了解了CPU的制造流程之后我们可以知道，CPU能否设计得更加复杂的关键实际上在于光刻工艺。而按照目前这个趋势发展，CPU上复杂的元件排布将稠密到连紫外激光也无法解决的程度(到2007年大概是65nm左右)，由于无法找到能够对更短波长的光吸收较少的特殊材料来做聚焦透镜，因此业界必须找到一种新的方法来克服这一困难，以保证集成电路产业的稳定持续发展。这时候，采用精巧细致的模印工艺来代替传统的光刻技术的LADI技术在普林斯顿大学诞生了，它能够实现更精细的微细结构，其精细程度已经接近大分子的尺寸。而更难能可贵的是，它的原理非常简单且加工速度很快。
在了解LADI之前，让我们来看看传统的光刻工艺的比较。
1.20世纪80年代初期的LIGA技术
LIGA （LIthogafie Galvanoformung Abformung）是由西德微结构科技协会(IMT,Institute of Microstructure Technology)的W. Ehrfeld于20世纪80年代初期发展起来的一种处理工序。虽然LIGA是当时最先进的加工技术，但倘若用一个比较贴切的比喻，它就是“电化学版”的平板印刷术加上深X射线的结合体。它让X光束通过一系列透镜和遮罩之后投向覆盖着一层可与它起反应的化学物质的硅晶片上。根据遮罩的图案，X光将蚀刻掉硅晶片上的一部分区域并产生芯片的晶体管位和电路图。LIGA一直沿用到现在，在显微机械加工(MicroMachining)和微电子机械系统(MEMS，MicroElectroMechanical Systems)方面都得到了广泛的应用。
2.软性平板印刷(Soft Lithography)技术
软性平板印刷是由哈佛大学实验室的一位名叫George M·Whitesides的化学家所研究发展的一种处理工艺。和传统的光刻技术需要一层保护层来抵御辐射光照、物理磨损或者分子碰撞不同，这一技术采用纳米厚度的“墨水”直接印在组成图案的待蚀刻表面。
3.2002年诞生的LADI技术
2002年，普林斯顿大学的Steven·Chou教授和他的同事们宣布开发成功一种被称为“LADI”的工艺，它将一块石英模板首先用软性平板印刷术制成图样,并将表面石英的结构压制为和正常硅晶体完全相反的晶型，然后利用石英的光穿透性将一束高能量的光脉冲(20ns,波长308nm的远紫外氯化氙激发激光)投射到待印刷的硅晶体表面上，这束能量将融化晶圆表面几纳米到几十纳米厚的硅，融化的硅会流到石英晶体表面图案的缝隙中并冷却下来形成微架构。
和上述两种光刻工艺相比，LADI有着显著的优点：不需要任何“墨水”；无需使用任何保护层或腐蚀剂；在相当大范围内形成的图案保真度也非常高；且石英模板能够被使用许多次而不会出现明显的性能降低现象，因此该技术刚一问世便成为专业媒体和IT科技协会关注的焦点。
四、LADI技术简介
和传统的光刻相比，LADI更像是用于生产光碟的方法。它通过电子流或其它传统的蚀刻方法在一块透明的石英晶体上刻上极微小的反向图案，再将该石英晶体和一块硅晶片紧紧靠在一起，然后用高能量紫外激光照射，由于石英能够让实验用的308纳米波长的紫外线激光通过，硅晶片就会吸收该激光的能量并受热融化。这样激光就透过石英并融化了硅晶片最上层几纳米到几十纳米厚度的硅。
当硅晶片融化到指定深度的时候，石英晶体就成为了一个“铸造模具”，比水的流动性好3倍的液态硅迅速地填充到石英晶体表面微细结构的空隙里并形成既定的图案。当把石英晶体移开以后，这些来自石英晶体的电路和结构图案将被保留下来，用来组装处理器芯片的精微晶体管。
整个LADI工序只需要不到250ns的时间，比眨一下眼睛都快了100万倍，由于LADI不再需要在硅层镀上腐蚀性的化学药剂，因此这个过程就变得非常环保而且更节约成本。基于这些优势，当前许多科学家对LADI的前景都充满了希望。
随着电脑计算能力的提升，一些令人惊讶的构思和可能性正在变成现实。举例而言，倘若能够有极其微型的医疗设备能够和我们的身体相结合，进入人体内并将病情报告给医生，或者在可视化的条件下进行微创伤的外科手术，则许多目前还无法治愈的疾病将变成历史……这样的应用还有很多很多，但它都建立在半导体技术的发展上，从这个意义上来说，LADI的意义尤其深远。
| 