摩爾定律續命至 1.5 納米！未來十年誰將從中得利？

來自專欄 DeepTech深科技

問世 50 年的摩爾定律是支撐全球近 5,000 億美元半導體產值的最大依歸，然摩爾定律是否已經走上末路？是近幾年來半導體人最熱衷論戰的話題。

日前，摩根大通發布一份報告，揭露 ASML 有能力支撐工藝技術到 1.5 納米節點，讓摩爾定律續命至 2030 年，再度將該定律的「生命年限」推至風口浪尖上，因為當中攸關全球每一家半導體企業的競爭年限。

全球很少有這樣的一家公司：某項產品市佔率在全球高達 100%，前三大客戶族群是英特爾、台積電、三星這樣的超級大企業，當公司的新技術開發需要資金時，客戶都毫不猶豫地從口袋掏出錢來投資，深怕該技術斷炊，但是，從來沒有人會指控這家公司有「壟斷」的疑慮。

這家公司就是手上掌握著續命摩爾定律核心技術的 ASML，其極紫外光（EUV）光刻機的開發成功，讓英特爾、台積電、三星這三家半導體巨擘得以順利朝 10 納米、 7 納米、 5 納米工藝節點前進，都很怕 ASML 的 EUV 技術研發不出來，半導體技術製程的推前因此而停擺！

5 年前 ASML 提出一個客戶入股投資計劃來為研發 EUV 光刻機籌資，三大客戶英特爾、台積電、三星全都買單，沒有一家敢說不 ! 一來怕 ASML 的 EUV 光刻機技術研發不出來，二來更怕 ASML 的新光刻機技術研發出來了，但因為自己沒參與投資，讓競爭對手撿個便宜。

摩爾定律運行長達 50 年，是全球 5,000 億美元半導體產值的根基

所謂的摩爾定律是由英特爾公司創辦人之一的戈登·摩爾提出，1 顆晶元上可容納的晶體管數目每隔 18～24 個月便增加 1 倍，全球半導體產業依循著這個邏輯運行 50 年，創造出全球將近 5,000 億美元的產業價值。

2015 年，摩爾定律歡慶 50 周年，摩爾本人在接受 IEEE 期刊《Spectrum》專訪中透露，當年他在發表摩爾定律的文章時，只是想分享趨勢觀察，沒想到該理論後來變成半導體產業發展的定律。而後人陸續將摩爾定律解讀為是一種經濟定律，它並不是一個非常嚴謹的技術鐵律。

為什麼摩爾定律是一種經濟定律？我們這樣解釋，很多人說若 ASML 的 EUV 光刻機沒有成功研發，摩爾定律就會因此失效？其實 7 納米工藝以下如果不採用 ASML 的 EUV 光刻機，在技術上仍是可繼續生產製造 7 納米工藝，可以用多重曝光（Multi-Pattering）作為 EUV 光刻機的替代，只是成本會變得非常高。

試想，以前的工藝節點在生產過程中只要一次曝光，現在 7 納米要曝光 3 ~ 4 次，生產成本當然會大幅變高，投資回收比會下降，代表著推動摩爾定律的代價變得很高，因此把該定律解釋為經濟定律，會比視為一種技術鐵律會更為適合。

正因如此，ASML 在光刻機技術上屢屢突破，才變得如此備受關注。ASML 的 EUV 光刻機技術的突破，是指每小時曝光的晶圓片數增近到符合量產經濟的水準，讓英特爾、台積電、三星都可以在高端技術上導入 EUV 光刻機。

ASML 的 EUV 光刻機今年的吞吐量（throughput）已經達到每小時曝光 125 片晶圓的量產里程碑，更讓人興奮的是，在實驗室中已經達到每小時吞吐量 140 片的目標，年年突破的進度讓半導體大廠為之振奮。

ASML 的 EUV 光刻機一台價格高達一億歐元，根據公司估計，今年將完成 20 台出貨量，預估明年出貨量提升至 30 台，全力協助客戶達到量產目標。

ASML 也揭露下一代 EUV 系統高數值孔徑 (High-NA)EUV 產品的規劃，宣布已經獲得三家客戶訂購四台訂單，同時也售出 8 個 High-NA EUV 機台的優先購買權 (options)。

ASML 是如何連續 16 年以 85% 份額穩坐半導體光刻龍頭？

ASML 在半導體光刻設備領域以 85% 份額連續 16 年穩居龍頭，其次是 Nikon 份額 10.3%，以及 Canon 份額 4.3%，這兩大日商被 ASML 狠狠甩在後面，EUV 光刻機上具有壟斷地位當然是最關鍵原因，但時間推回十多年前，一場 ASML 和台積電聯手改變光刻技術的方向，也是重要關鍵。

十多年前半導體製程從 0.13 微米、 90 納米一直發展到 65 納米節點之際出現瓶頸，當時全球半導體大廠都已經投入數十億美元在 157 納米波長光刻技術的研發，只有台積電當時的技術發展處資深處長林本堅提出以水為介質的浸潤式技術，取代原本以空氣作為鏡頭與晶圓之間為介質的「乾式」曝光技術，並成功說服 ASML 採用此技術概念，之後其他兩家日商當然也是跟進。

這一場「乾式」轉「濕式」的戰役，成功讓台積電在半導體技術上站上主導地位，奠定在晶圓代工領域不斷攀高的關鍵，同時，ASML 和台積電之間的技術配合也越來越緊密，其在光刻技術領域的市佔率逐漸把日本企業甩在後面。

之後，ASML 也針對細項領域進行強化投資，尤其是鏡頭技術一直是制約光刻設備發展的關鍵，因此 ASML 在 2013 年收購光源大廠 Cymer 後，也在 2016 年投資德國鏡頭大廠蔡司，布局 EUV 下一代系統 Hight NA 光學系統技術，而 ASML 和蔡司原本就是緊密的技術合作夥伴。

ASML 進入 3 納米結點後，將升級 EUV 技術採用 NA 高數值孔徑的光學系統，日前更證實在技術藍圖上於 2030 年實現 1.5 納米技術是可行的，這些都讓半導體業界振奮，摩爾定律還有十多的時間可走，EUV 光刻機的技術會一直強化支持該定律。

為摩爾定律續命是眾人責任，三星 GAA 晶體管朝 3 納米前進

要拉長摩爾定律的生命年限也不單只是 ASML 一家企業的責任，整個半導體業界都傾全力前進，三星、英特爾、台積電也投入 FinFET 技術的下一代接班人環繞式閘極晶體管（Gate- all-around ; GAA）的技術開發，GAA 晶體管是場效晶體管（FET），在通道的四個側面都有一個閘極，用於克服 FinFET 的實體微縮和性能限制。

其中，三星的態度非常積極，預計在 3 納米工藝節點上導入，計劃 2021 年量產。

半導體晶體管從平面排列，到 20 納米以下轉為 FinFET 鰭式排列的架構，未來 3 納米工藝節點左右，又將轉入 GAA 晶體管技術，大家的努力都是為了延長摩爾定律的有效時間。

此外，鰭式場效應晶體管（FinFET）和全耗盡型絕緣層上硅晶體管（FD-SOI）兩大創新技術的發明人胡正明也成功延續摩爾定律的生命，FinFET 讓高端技術走到 10/7/5 納米以下，而 FD-SOI 開創一條主流技術以外的道路，且兩大技術分別被英特爾、台積電、三星採用，也運用在蘋果產品上。

胡正明曾經表示，以前技術是通過測量線寬來進行微縮，當半導體工藝走到 14/10/7 納米節點，真正應該在意的是成本、速度、功耗、性能，而推動半導體微型化的方式不一定是減少尺寸，也可以朝 3D 技術下手。

鈺創董事長盧超群也分析，半導體進入 FinFET 時代，工藝技術所代表的數字意義和實質線寬的微縮已脫勾，這就是為什麼英特爾認為自家的 10 納米技術，相當於等於台積電和三星的 16 /14 納米工藝節點。

再者，封裝測試技術的精進，目的也是為了延續摩爾定律效益。台積電十年前就低調布局封裝測試領域，是看到摩爾定律的極限，經過多年的鴨子划水，台積電提出 CoWOS 和 InFO 兩大封裝技術，且蘋果在 iPhone 的導入，攜手成為續命摩爾定律的成功表率。

無論是台積電跨入後端封測布局、 FinFET 技術的開發、 ASML 將光刻機的技術藍圖推至 2030 年 1.5 納米、三星提出環繞式閘極晶體管 GAA 架構等，大家的目的都是讓全球 5,000 億美元產值的半導體產業延續。

未來十年摩爾定律效應遞減 ，為中國半導體廠營造追趕機會

隨著 ASML 將技術藍圖推展至 1.5 納米，摩爾定律還有至少 10 年的時間。只是，過往半導體製程是每兩年前進一個技術世代，未來可能是 3~5 年才前進一階，整個產業的效益放緩是必然趨勢，這也帶給中國半導體大廠一個很好前進追趕的機會，奮力追上主流的工藝技術。

然 10 納米以下的路不好走，看看英特爾的 10 納米問世的時間點遲到多次，日前宣布再度延到 2019 年上市即可窺知一二，連半導體技術巨擘都面臨技術突破上的挑戰，未來後進者的道路也不會是一條坦途。

未來半導體世界的競爭，仍會是第一、第二、第三梯次壁壘分明。5 納米以下技術可行，但技術難度和投資成本拉高，第一梯次包括台積電、三星、英特爾、 GlobalFoundries 已經申請參賽。

摩爾定律的效應趨緩下，代表前方的道路越來越難突破，這提供給中國半導體廠很好追趕的條件，只是技術持續提升的成本投資會大幅墊高，願意加一把勁兒者，有機會擠入國際第一梯次隊伍，這樣的投資報酬率很迷人，更讓中國晶元自主可控不再是遙不可及的夢想，中國半導體產業現在正在培養「國家隊」，而培育出「國際隊」的關鍵時間點，就在未來十年。