IBM 的專家指出，下一代的20nm節點可支援最佳化的低功耗和高性能製程技術。而 GlobalFoundries 將在今年八月決定，是否提供這些不同的製程選項。
這些僅僅是今年度 GSA Silicon Summit 上討論的兩個焦點。與會的晶片業高層還討論了預計在2014年到來，但仍面臨諸多挑戰的 3D IC ，以及腳步緩慢但仍然預見可朝 7nm 邁進的 CMOS 微縮技術。
“台積電最近表示其 20nm 節點在製程最佳化方面並沒有顯著差異，但我並不這麼認為，” IBM 院士暨微電子部門首席技術專家Subramanian Iyer說。“我相信，在相同的節點上，你可以擁有兩種不同的製程，”他在主題演講中表示。
事實上， GlobalFoundries 正在考慮是否是在為 20nm 提供高性能和低功耗製程。
“我們仍在與主要客戶討論該做些什麼，針對性能和功耗方面，可能要做出更多取捨，” GlobalFoundries 先進技術架構主管Subramani Kengeri表示。
他指出， 20nm 的變化空間可能相對更加狹小，而且從經濟面來看也未必可行。IBM的Iyer則認為，台積電決定僅提供一種20nm製程，其經濟面的考量可能多於技術面。
接下來，採用FinFET的14nm製程，則將為晶片產業開創更大的機會，如提供0.9V的高性能版本，以及0.6V的低功耗變種製程等。此外，與傳統轉移到一個新製程節點相較，14nm節點可提供的利益也預估將高出兩倍之多。
從歷史角度來看，要為每一個節點提供不同製程變化，都會需要在基礎製程上添加獨特且複雜的特性，IBM的Iyer說。他指出，過去，我們在每一代製程節點都擁有不同功能的製程，現在不大可能驟然讓它們完全消失。
20nm仍有變化空間，Subramanian Iyer說。
2014年，迎接3D IC到來
此外，晶片業高層也探討了幾種可望在2014年量產，採用矽穿孔(TSV)的3D IC。
思科系統(Cisco Systems)封裝專家暨技術品質部副總裁Mark Brillhart表示，3D IC將改變遊戲規則。他認為3D IC將有幾種不同的形式，而且很快就會步入大量應用。
“自1996年的覆晶封裝技術熱潮以來，我從未想像過封裝技術能再次令人感到振奮，”Brillhart說。
高通(Qualcomm)“非常高興”能在實驗室中採用Xilinx的2.5D FPGA來開發原型，高通工程部副總裁Nick Yu表示。他預計，運用TSV來鏈接Wide I/O的高階智慧手機用行動應用處理器最快今年或明年便可問世。
“我們會在許多不同領域看到這些強大的3D技術，”IBM的Iyer表示，他們已經製造出了數款使用TSV堆疊處理器和DRAM的原型產品。
目前的CPU有8～12個核心，未來還將朝採用3D IC技術，堆疊24個核心與DRAM還有散熱片的方向發展。IBM也對於‘在矽中介層上建構系統’(system on an interposer)的2.5D模組深感興趣，在這些模組中，記憶體晶片在矽基板上圍繞著處理器而建置，並使用去耦電容來改善功率調節性能。
“這個領域不斷出現更多的創新，它們將帶來更顯著的差異化，但共同點在於它們都將提供適合行動應用的優勢，”他補充說。
但3D晶片仍有許多待解的難題。工程師仍不知如何解決3D IC產生的熱問題，他們需要新的測試策略和製造工具，他們也正在推動各領域的設計師們形成新的供應鏈，就各種技術和商業問題展開深入合作及探索。
“現階段，成本是3 D晶片面臨的最大問題，”高通的Yu表示。
他表示，台積電提出的端對端(end-to-end) 3D服務會是低成本的說法並不能讓他信服。他進一指出，不同的3D產品會需要不同的供應鏈。
“設備占單位成本很大一部份，”日月光集團(ASE Group)工程暨業務部資深副總裁Rich Rice說。該公司正在安裝接合╱分離(bonding/de-bonding)、晶圓薄化和其他負責處理所謂3D製程中間步驟的設備。“即使是在較傳統的後段製程領域，當我們決定量產，我們也必須擔負必要的資本支出，”Rice說。
應用材料(Applied Materials)發言人指出，業界需要新的3D系統，設備製造商正在努力準備為450mm晶圓和20、14nm節點做準備。
思科的Brillhart表示，他擔憂的事情還有很多，包括為了找到讓3D晶片獲利的可行方法，彼此競爭的公司有時也必須合作。
摩爾定律步伐緩慢
好消息是，專家們認為，一直到至少7nm節點，都不會出現根本性的障礙。但壞消息則是“更微小節點的優勢正不斷被侵蝕，”IBM的Iyer說。
罪魁禍首就微影技術。今天業界採用的193nm浸入式微影技術已經被要求用在22甚至14nm節點。
“這導致了愈來愈高的成本，”Iyer說。“另外，複雜的圖形解決方案也讓我們感到焦慮。”
微影成本確實會在20nm和14nm節點劇烈飆升，GlobalFoundries的Kengeri表示。他指出，額外的複雜性以及製程和設計成本，是讓傳統晶片產業每兩年跨越一個技術世代的時程開始延長的主要原因之一。
業界多花費了三季的時間來達到符合品質要求的32/28nm技術節點，這要比過去所花費的時間多出一季，Kengeri說。“可看到整個產業的腳步正在趨緩，”他表示。
根據美林(Merrill Lynch)的報告，一個14nm的SoC專案成本可能會上揚到2.5億美元，Marvell Semiconductor製造部副總裁Roawen Chen說。光罩成本約700萬美元，且從投片到產出首個矽晶片的時間可能會延長到六個月，他表示。
“事實是它將變得更加昂貴，”Chen說。
但也有好消息，IBM的研究人員已經發現了製造出僅內含25個原子元件的方法，這為邁向7nm製程節點開啟了全新道路。“在朝7nm前進的道路上，我們並沒有看到根本性的問題存在，”Iyer說。
編譯： Joy Teng
(參考原文： Chip execs see 20 nm variants, 3-D ICs ahead ，by Rick Merritt)
蔣尚義：合作創新，7奈米沒問題！
台積電研究發展資深副總經理蔣尚義，12月1日，在新竹科學園區產業論壇上發表專題演講。他以半導體最關鍵的「微影技術」、「電晶體」及「導線」等技術演進為例，說明整個半導體產業，就是靠著無數持續的創新，繼續前進。他強調，未來不是單打獨鬥的時代，需要大家通力合作，以建立充滿活力的產業生態系統。
1995年，Moore’s Law 的發明人Gordon E. Moore博士，做了他人生最後一場演講後，至今已經16年。他所提出的摩爾定律，未來還能夠推演下去嗎？
台積電研究發展資深副總經理蔣尚義表示，微影技術（Optical Lithography）的極限，一直是半導體業界的笑話。因為，每當有人推出創新技術，大家總在一邊讚嘆之餘，一邊認為，這已經是最後一代了吧？
但持續創新的結果，總能讓半導體技術不斷向前推進。他強調，光學微影技術的不斷創新，正是過去30多年，摩爾定律得以維持前進的關鍵。
在微影技術的世界裡，一項創新技術的提出，大約要等7-9年才能夠真正的付諸應用。1977到1988年，微影的光源波長為248nm，但1991到2000年，為了要將技術推進，於是將光源波長改為193nm，先是印0.18微米的光罩，接著因為有CMP, OAI, PSM, OPC等技術，所以193nm一直沿用到65nm。
到28nm時，微影技術又碰壁了。還好台積電有個林本堅博士，他巧妙地，把微影技術推入水中，透過光源波長除以水的折射率，成功以浸潤式技術，讓台積電可以再把193nm，順利推進到28nm的光罩上。2011年，台積電推出20nm的製程技術，克服微影技術瓶頸的創新之道是，將光罩一拆為二，稱之為double patterning。 這麼作，雖然目的達到了，但工序增加，成本與時間都提高。
於是，新的微影技術又出現了。一是EUV, 一是Multiple-E-Beam（MEB），技術概念上都可以一次完成光罩，不必曝光兩次，只是目前這兩款技術還不夠成熟，速度太慢，造價也太高。
EUV微影設備造價高達一億美元，一小時只能做5片晶圓。其機台重量超過50公噸，因此，早在機台搭專機到台灣之前一年，就要花180萬美元，先準備專用吊車，其所費不貲，可見一斑。另一方面，MEB速率更慢，一小時甚至做不到一片。蔣尚義說，台積電需要的是，每小時100片的產出。
蔣尚義說，光罩成本很關鍵。20nm需要60幾道光罩，如果都用浸潤式一拆為二重複曝光的方式做，那麼光罩的成本將倍增。他期待，如果EUV及MEB若能在20nm後期拿出效率，技術就能往前再前進。
電晶體的技術創新，一路走來，也是不斷創新。大家好奇的，半導體的技術極限到底在哪裡？蔣尚義指出，從物理及技術上，微影的極限可以做到7nm，但從成本看，就大有挑戰。成本的考量，驅使晶圓廠從8吋、12吋一路走到18吋，為的就是30%的成本優勢。
在導線技術上，蔣尚義提出，應從整個系統來找改進的空間。他表示，捨去PCB而直接用Silicon是導線技術的好機會，導線密度將提升100萬倍以上。這樣的技術，目前稱為2.5D，將有助於速度加快、功率降低、體積變小，就等經濟規模。蔣尚義說，目前台積電已經可以提供2.5D的樣本給客戶，小量生產應該會在2013年，2014年應該可以看到比較大量。至於堆疊在另外一顆晶片的3D，蔣尚義說，一開始的應用，應該是記憶體。
至於邏輯IC要堆疊3D，蔣尚義認為，除了大小不盡相同，還有散熱等問題，所以他認為，五年內，不會發生。
圖說：台積電研究發展資深副總經理蔣尚義強調大處著眼，從系統思維找創新空間。他提出，以Silicon 取代PCB的作法，2013年將可小量產。
當技術越來越複雜，各種廠商的合作，已成必然趨勢。蔣尚義強調，未來不是單打獨鬥的時代，從EDA到IP library，需要所有相關產業合作，才能一起建立起產業生態系統。他相信，未來技術前進，將不會僅止於7奈米而已。
張忠謀的愛將林本堅讓台積電在未來八年技術領先
未來半導體發展關卡在微影技術，全球專精此技術的不超過十人，林本堅是其中排名很前面的一位，他的一九三奈米浸潤式微影，改寫了全世界半導體的微影藍圖。
「就是這個光！」台積電微製像技術發展處資深處長林本堅，一生都在追求心目中最理想的光，他利用(光)波長的變化，不斷改寫半導體的歷史。
十一月初，台積電正式啟用全世界第一台一九三奈米「浸潤式微影技術」(Immersion Lithography)機台，正式跨入六十五奈米線寬世代的生產。這項技術的突破讓將台積電足以一口氣跳躍成長三個技術世代，也讓全世界半導體產業把這項技術列為今後六十五、四十五及三十二奈米線寬製程的主流。也就是說，台積電在二○一二年前都將保有這項技術領先的位置。
十月初，美國《新聞週刊》才以「浸潤在水裡的晶片」為題，指出台積電利用浸潤式技術，晉升至一線晶片製造商行列，令台積電設計能力足夠和ＩＢＭ及英特爾等半導體廠商並駕齊驅。美林證券亞太區半導體首席分析師何浩銘(Daniel Heyler)更表示，台積電走在晶片產業的最前線。
去年七月，台積電董事長張忠謀為鼓勵創新，頒發「創新獎」給研發有功人員，排名第一的林本堅，因為這項讓台積電奈米技術三級跳的成就「拿了一大筆獎金」。獎金有多高？林本堅神秘地笑說無法透露，但已足以說明張忠謀對他的器重。
林本堅很小就展現對光學的興趣，十三歲母親將一台老式六Ｘ九相機送給他，他利用相機的成像原理，把它改成一台放大機，「我把父親的照片放上去，又弄一個玻璃片，畫了鬍子，兩張疊在一起，就合成出爸爸長鬍子的照片。」他呵呵笑出來，眼神閃出年少神采，口音裡流露出一股綿軟柔細的越南尾韻。
六Ｘ九相機 開啟光學少年的探索興趣
他出生於越南，在西貢附近的堤岸市長大，家境優渥。父親是當地英文中學校長，外祖父是船商，他在越南受過完整的華僑教育。高三那年，他獨立一人遠渡來台就讀新竹中學，隔年考上台大電機系。台大電機時代，林本堅特別著迷結合物理和數學的電磁波學，後來他到美國俄亥俄州立大學投入於當時新興雷射研究。到他攻讀博士，全像學(Holography，雷射光立體攝影術)當紅，他站在這股浪潮上，一頭栽入。全像學可以將三度空間裡每一點的資料錄下來，包括能完整保存光的繞射(diffraction)所有資訊，他以全像學完成博士論文。
林本堅很能掌握到這些繞到背後的光線，這些精確掌握的能力令他在ＩＢＭ從事微影技術研究時，如魚得水。他那時常想，自己窮一生之力，都買不下這些昂貴的超級電腦，於是他像得到寶物似的每天實驗、運算，使他得以自發開發很多電腦模擬程式。
他太太回憶著，那時他們大女兒才剛出生不久，林本堅卻常下班回家吃完飯，又匆匆回研究室，他整個心思被光的追求填滿，內心燃燒的欲念不斷驅動他前進。他自己都說：「有一次我做實驗，一直做，忽然發覺外頭怎麼車聲人聲很吵，原來不知不覺天就亮了。」
ＩＢＭ期間 養成凡事領先的個性習慣
一九七○到一九九二年林本堅在ＩＢＭ工作期間，他帶領團隊研發出一微米、○‧七五微米、○‧五微米的光刻技術，每一步躍進在當時都是世界第一。林本堅說：「我們在ＩＢＭ做研究，我們一定要比世界早幾步。ＩＢＭ就是有這種『壞習慣』，凡事要領先，我自己也是這種個性，才會在ＩＢＭ待這麼久。」總計至今，他發表論文六十三篇，獲美國三十五項專利。
今年六十二歲的林本堅，他的人生彷彿是由很多「超前」的紀錄所累積而成。一九七五年，他做出當時光刻技術最短波長的光線，「那時沒有人知道怎麼叫它，我把它叫『深紫外線』(Deep UV)的光線，」這種由林本堅命名的光線，直到三十年後的今天仍被廣泛應用，變成光刻顯影技術的主流。一九八六年，林本堅就認為微影技術要再發展下去，就必須從乾式轉向浸潤式(Immersion)微影技術。
用淺顯的比喻來說，「浸潤」就像我們在水裡游泳時，不戴蛙鏡直接把眼睛睜開，因為光波改變，我們所看到的世界完全便不同。林本堅在原本一九三奈米乾式微影鏡頭前上一層一公釐至二公釐的水，讓光波變小。光波越小解析度就越強，刻出的電路越精密，製造出的晶片也就越小，讓半導體產業繼續往摩爾定律前進。兩年前，全世界半導體界工程師發現一五七奈米波長的光刻技術(Optical lithography)已經走到山窮水盡，當時，半導體設備廠商投下超過十億美元在一五七顯影設備上，在光源、顯影劑、光罩及蝕刻材料花費鉅資大幅翻新，但卻始終困難重重，因為光束無法在晶片上精確定位，不能蝕刻出有效的電路。
走不同的路 善用一九三奈米波光的魔術
面對一五七奈米波長技術「撞牆」的局面，領導世界「光刻」界長達三十年的「Burn Lin」(林本堅的英文名字)認為與其拚命往一五七奈米波長去鑽研，倒不如回頭善用一九三奈米波長的光。只是這裡要玩一點光的魔術，才能追求到他要的光線，就像把筷子插入玻璃杯，水裡的筷子立刻折彎的物理現象，林本堅發現一九三奈米波長的光線，透過水的中介，就能讓它縮短至一三四奈米，遠低於一五七奈米波長。但當時世界主要半導體大廠錢都砸了，頭都剃了一半，便一股腦兒地往一五七奈米看，想在這塊技術岩盤裡，繼續破鑿出一條血路，於是林本堅的話，沒有多少人聽進去。
但兩年前，一場神奇的轉捩點發生了。當時林本堅受邀遠赴比利時參加一場以一五七奈米為主旨的研討會，原本大會只是找他去講浸潤原理「點綴」一下，沒想到輪到他發表演說時，卻上演了一場木馬屠城記。他對著會場二百多位半導體業者清楚運算出，「一九三奈米光波，透過水的折射率一‧四四，我把它一除發現，唉呀，不得了，我找到了一三四奈米波長的光波，大家聽到一三四，全都睜大眼睛。之後，大家把原本討論的一五七奈米都丟一邊了，全部圍繞在一九三浸潤式的話題上。」
如今隨著一九三奈米浸潤式微影機台的進駐，台積電也首次主導業界規格，原本ＩＢＭ及比利時微電子研究中心(ＩＭＥＣ)等十家已訂購一五七乾式機台的國際半導體廠，全數退單，跟進台積電，改訂一九三浸潤式機台。
這些年來，頻頻奔走於國際研討會，以傳教士精神鼓吹浸潤式技術的林本堅，看到現今的成果，也不覺露出淺淺的、謙遜的微笑，證明他過去幾年的努力沒有白費。
「以前我一直以為水到一九三奈米光波就死了，沒想到它到一九三還沒死，而且透光度很高；不只透光度高，折射率反而變好。就在水將死未死的邊緣，是它最好的菁華。」在林本堅眼中，「水」像被賦予生命一樣，有死有活。
浸潤式技術 讓台積電先馳得點
「水是一個大神蹟，水在攝氏四度時密度最高，到零度結冰時浮到水面形成保護層，讓冰下的魚不致被凍死，這是個大神蹟。」十四歲就信仰上帝的林本堅更有一種奇特的「半導體神學觀」︰「用在一九三奈米，水的折射率在這波長特高，又非常透光，而且水被半導體工業廣泛使用，沒有阻力。是神救了魚之後，照顧半導體工業的另一神蹟。」
雖然研究的是科學，但林本堅十分感性，他是一位感性和理性揮灑自如的人。他年少時就學小提琴，熱愛音樂的他在家還會一時興起高歌一曲。他說：「如果將音樂與浸潤式微影類比，好比我擁有一片音質非常好的ＣＤ，也有最好音響，可是只有普通的喇叭，我的耳朵還是聽不到最好的音質。浸潤式所用的水就像音質優美的喇叭，讓聲音表現最佳狀態。」
台積電資深研發副總蔣尚義說：「半導體往下的瓶頸在於微影技術，但全世界懂得微影技術的不超過十個，林本堅是排名很前面的一位。」他一九九七年接任台積電資深研發副總，就一直想找個科學家來領導台積電微製像處，尋覓兩年，才找林本堅。
蔣尚義還未見到他本人時，就聽說他過人的精算能力。七年前有家國際性大廠的微影技術機台一出來，林本堅測試一番後，很快計算出這個機台一年多後將達到產能極限。後來果然如他所料，讓廠商也不得不佩服他的精算能耐。
「原本，張董和我都還不曉得林本堅這麼厲害，但最近，我們發現他真是越來越厲害了。他一九三浸潤式的方法，改寫全世界半導體微影藍圖，產業界為了開發一五七奈米花了幾十億美元，但是因為他，這幾十億的美元全像倒在海裡去了，沒有了。」
林本堅無論到哪裡都隨時開著兩台電腦交互運算著，他的腦海則像第三台電腦，永遠在思索這兩台電腦外的第三種答案，「遇到一個困難，你要有辨別的能力，不要像愚公移山一直移下去，你要思考這個困難是你的機會，還是你的累贅。大家都去愚公移山，這條路就轉不了，繞道前進也是一種解決方案。」
當全世界半導體研發團隊都以為只有一五七能做時，林本堅卻逆向操作，回頭將一九三改以浸潤方式來突圍，打開這扇方便法門，台積電果然先馳得點。
林家玄關掛著一張四十年前密西根河水一景的老照片，初看以為是一幅印象派油畫，仔細端詳才知，他刻意將照片上下顛倒，讓畫面上方布滿河水倒影，結果產生意想不到效果。在半導體界，林本堅也是別出心裁，扮演光和水的魔術師，找到光水合奏的最理想狀態。
*
林本堅（圖前左三）小檔案
出生： 1942年
學歷： 台大電機系學士、
美國俄亥俄州立大學
電機碩士、博士
經歷： IBM研發部經理、領創公司負責人
現職： 台積電微製像處資深處長
獲獎： 2002年
獲選國際電機電子工程師學會
IEEE Fellow
當選國內「十大傑出工程師」
2003年獲選國際光電工程師學
SPIE Fellow
2004年獲首屆Frits Zernike 終身成就
獎、台積電創新獎
*一九三奈米浸潤式微影技術
微影技術原理類似照相機，波長越短，在晶片上蝕刻的電路就越精確。可是當光源波長由一九三降至一五七奈米時，卻產生了瓶頸，除了鏡頭品質不穩，導致良率很低外，也沒有辦法找到適合的光阻材料。種種困難下，就凸顯水浸潤的優越之處。
所謂「浸潤」指的是在光源與晶片間加入水做為縮短光波的介質。光源波長一九三奈米，經過水的中介，水在此時的折射率為一‧四四，恰好是林本堅眼中「水將死而未死的菁華地帶」，折射率高、透明度好，光源一九三奈米光波到了水裡，可微縮到一三四奈米，遠低於一五七奈米乾式微影機台波長。
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