如今已近九旬高齡的英特爾（Intel）共同創辦人Gordon Moore在1965年發表了一篇文章，提出了IC上晶體管數量會在接下來十年依循每年增加一倍的規律發展，其后這個理論根據數次演變，成為全球半導體產業界奉為圭臬的「摩爾定律」（Moore’s Law），伴隨IC市場經歷半世紀的蓬勃發展，催生無數讓大眾日常生活更加便利、更豐富多彩的科技。

2015年，摩爾定律歡慶50周年，Moore本人在接受IEEE期刊《Spectrum》專訪時表示，其實他在發表那篇文章的時候只是分享一個趨勢觀察，因為當時IC技術正在改變整個電子產業的經濟模式、卻未被普遍承認；而他完全沒有想到那樣的一個理論居然被記得那么久，甚至被稱為驅動產業發展的「定律」。

不過摩爾定律畢竟不是以嚴謹科學程序所定義的真正「定律」，Moore自己也說，那只是一種觀察與推測；許多人預測摩爾定律將在2015至2020年失效，而在2012年左右，摩爾定律開始出現速度趨緩的明顯跡象，當年全球半導體產業營收暨2011年僅2.1%的成長之后不升反降，出現了2.6%的負成長，接下來幾年的營收表現也一片低迷，不但不復以往動輒兩位數字的成長表現，在2015年還再度出現了2.3%的負成長。

半導體廠商們發現，要維持摩爾定律繼續推進的成本變得越來越龐大，制程微縮不再跟隨著晶體管單位成本跟著降低的效應，產業界從32/28納米節點邁進22/20納米制程節點時，首度遭遇了成本上升的情況；業界專家們將原因指向了遲遲未能「上臺面」的極紫外光（EUV）微影技術，就因為該新一代微影技術仍未能順利誕生，使得22納米以下的IC仍得透過多重圖形（multi-patterning）方法來實現，這意味著復雜的設計流程、高風險，以及高昂的成本。

市場研究機構International Business Strategies （IBS）的資深半導體產業分析師Handel Jones估計，當半導體制程走向5納米節點，IC設計成本將會是目前已經非常高昂之14/16納米制程設計成本的三倍（圖1），因此設計業者「需要有非常大量的銷售額才能回收投資。」

圖1：IC設計成本越來越高 （來源：International Business Strategies）

摩爾定律究竟還能走多遠？一旦摩爾定律正式走入歷史，半導體產業該如何繼續向前邁進？而在所謂的「后摩爾定律時代」，IC業者面臨的挑戰是什么？又該如何因應？

EUV微影何時救場？

在一場1月初于美國加州舉行、由國際半導體產業協會（SEMI）主辦的年度產業策略高峰會（Industry Strategy Symposium，ISS）上，來自半導體產業界的專家指出，如果EUV技術在2020年順利問世，半導體技術演進還能持續到2025年。

產業顧問機構IC Knowledge總裁Scotten Jones在該場高峰會上表示：「我不認為摩爾定律已死，從事深度技術研發的人也不認為；」他指出，大廠英特爾（Intel）與Globalfoundries都透露半導體制程在后14納米（post-14nm）節點能達到成本節省，「我相信我們有方法制造出讓成本降低的新一代晶體管?！?/p>

Jones預測5納米節點將在2019年開始在某些制程步驟采用EUV技術，或許仍得采用某種形式的FinFET晶體管；至于再往下到3.5納米節點，將會進展至采用水平納米線（horizontal nanowire），而該節點應該會是經典半導體制程微縮的終點；其后2.5納米節點堆棧n型與p型納米線，可望在2025年將晶體管密度增加60~70%。

對于EUV究竟何時能正式「上陣」，市場研究機構Semiconductor Advisors的分析師Robert Maire認為：「EUV微影真正開始量產應該是會在2020年；」他指出，臺積電（TSMC）已經宣布了將在5納米節點采用EUV微影的計劃；而英特爾則可能會在7納米采用EUV微影，與臺積電的5納米節點量產時程相當，時程預計是在2019年。

圖2：各家半導體大廠先進制程節點量產時程 （來源：ISS、各家公司）

而Globalfoundries技術長Gary Patton在2016年10月來臺與本地媒體分享該公司最新技術與策略方向時則表示，他預期EUV微影技術要到2019年才會邁入成熟，而Globalfoundries在該時間點之前就會量產的7納米制程應該不會采用該技術。

目前在市場上只有來自荷蘭的設備業者ASML能供應EUV微影系統，是該公司投入了三十年時間與龐大研發成本的成果，而該公司甚至獲得了英特爾、臺積電與三星（Samsung）等半導體大廠的聯合投資，這些股東們的首要目標就是加速EUV技術的實現。ASML發言人表示：「我們預期EUV微影將在個位數納米制程節點被應用于內存中的兩個或更多層；而在最先進的邏輯制程節點（7或5納米），則被應用于6~9層?！?/p>

ASML的第一代（采用0.33NA光學鏡片、實現約13納米的線寬） EUV微影設備NXE:3400B將在今年正式出貨，預期吞吐量可達每小時125片晶圓、微影迭對（overlays）誤差容許度在3納米以內；該公司表示已有4家邏輯芯片制造商、2家內存芯片制造商表示將在2018年左右采用第一代EUV系統進行量產。

圖3：ASML的EUV微影設備發展藍圖 （來源：ASML）

采用今日的浸潤式微影設備需要以多重光罩才能實現的電路圖形，若采用0.33NA的EUV系統預期只需要單一光罩步驟就可完成；不過半導體制程若再繼續往更細微節點邁進，就算采用EUV設備也可能需要多重圖形步驟。

為此ASML于去年11月就宣布以11億美元收購光學大廠蔡司（Carl Zeiss）的24.9%股份，雙方將連手研發數值孔徑（numerical aperture，NA）高于0.5的版本，不過此第二代EUV微影要到2024年以后才會量產，將能實現約8納米的線寬，預期產量為每小時185片晶圓產量、迭對誤差容許度小于2納米。

ASML技術長Martin van den Brink在發表上述合作案時的新聞聲明中指出，新一代（0.5NA）系統將「可在次3納米節點為芯片制造商避免復雜且昂貴的0.3NA系統多重圖形步驟，以單次曝光支持高生產力，并可降低單位成本?！?/p>

不過市場研究機構VLSI Research總裁Risto Puhakka表示，產業界人士仍廣泛預期，在第二代EUV系統于2024年左右問世以前，恐怕還是得使用第一代0.33NA微影系統進行多重圖形?！钢皇切枰獛字貓D形、以及會需要多久時間？」他也指出，以往ASML不曾直接投資供應鏈上的任何廠商，而且是以大手筆收購高比例股份，顯見要打造更新一代EUV系統是高風險任務，而且ASML勢在必得。

看來如果一切順利，2018年就能看到第一批采用EUV微影設備量產的先進制程節點IC；但機臺尺寸幾乎等同一間小房間的EUV，一臺要價超過1億美元（至少31億臺幣），這意味著除非是財力夠雄厚的半導體廠商，很難負擔此尖端技術的投資。

而千呼萬喚始出來的EUV微影設備就算真的在2018年之后順利上線量產，在終端應用市場如PC、智能型手機等成長停滯、缺乏大量需求的趨勢下，采用該設備之先進制程初期成本與風險勢必仍然偏高，IC業者如果想只靠EUV來維持摩爾定律「制程越微縮、晶體管單位成本越低」的理論，恐怕并不容易。

所以，除了「傳統」的半導體制程微縮，IC廠商們還有什么別的方法能維持利潤？