互动科普

迅猛发展的时代可能不久行将结束，而这一时代消逝可能迫使芯片制造商们提供多种多样的产品。

以新的方式存储和处理信息的能力对于人类的进步一直是至关重要的。从早期苏美尔人的粘土记号，到古登堡的印刷机和杜威的十进制，最终发展到半导体，信息存储始终是日益复杂的法律、政治和社会制度的催化剂。现代科学也不可避免地同信息处理紧密结合，与它形成了一种共生关系。科学的进步使人们能够存储，检索和处理越来越多的信息，而这种能力反过来又帮助人们获得科学的进一步发展所需要的洞察力。

在过去几十年中，半导体电子器件已成为这一至关重要的事业的推动力，开创了一个引人注目的时代。借助于集成电路制出了使整个实业界发生变化的个人计算机，使发动机和其它机器能够更加洁净、更加有效地运行的控制装置以及能够挽救人的生命的医疗系统。通过这些成就，它们孕育了能够产生数千亿美元的收入并为数百万人创造工作机会的行业。所有这些利益(以及其它许多利益，无法在此一一列举)，在极大程度上来自于半导体工业界能够以越来越低的成本把越来越多的晶体管集成于芯片上这一事实。

这一能力在工业发展史上基本上是没有先例的，它对半导体行业是如此重要，以致于实际上被当作了一条规律，然而，人们不时担心，技术和经济上的障碍可能很快就会放慢半导体技术的发展速度。科学家和工程师们常常预测将出现一些所谓“中止进展”的问题，但结果却发现这些预言一次又一次地被他们的同行的创造力和智慧所粉碎。

借用一位前美国总统的话来说，我们现在又要重弹这一老调了。建造一套新的半导体设施的费用目前已达10位数之巨，而晶体管的密度已接近于当前所用技术的理论极限，在这种情况下，人们再次提出了一个令人不安的问题。当半导体工业最终不得不面对的确无法逾越的技术障碍时，这一行业将会发生什么情况呢？

Moore和越来越多的晶体管

1964年,也就是集成电路发明6年后，Gordon Moore指出，半导体制造商在一块芯片上能够制出的晶体管的数目每年翻一番。Moore曾在1968年同合伙人一起创办了Intel公司，现在是工业界的一位德高望重的人士，当时他正确地预测(这一进展速度至少将持续到最近的将来。这一现象后来被称作Moorefe法则,它产生了深远的影响。

由于在芯片上的晶体管密度翻番的同时，制造成本并未随之增加,因此每个晶体管的费用随着密度每增加一倍而减半。晶体管的数目增加一倍，存储器芯片存储的数据的数量也增加一倍。集成度越髙，意味着能够集成到芯片上的功能单元的数量就越大，器件(如晶体管）的排列就越紧密，而它们之间的相互作用的时间延迟就越短。因此,这些进展使用户花同样的钱能获得越来越大的计算能力，从而既促进了芯片的销售，又促进了对更大的计算能力的需求。

令许多专家——其中包括Moore本人——感到吃惊的是，集成度继续以使人瞠目结舌的速度增加。不错，到七十年代后期，这一速度放慢到晶体管的数目每18个月翻—番，但自那时起这一速度一直得以保持下来，导致现今商用集成电路上的晶体管超过了6百万个。这些芯片中的电子元件其大小只有0.35微米。拥有1千万个或更多的晶体管。每个晶体管大小仅有0.25微米甚至0.16微米的芯片预计很快就将投放市场。

晶体管密度稳定地翻番似乎应当意味着发展赶一帆风顺的。然而事实刚好相反，通往现今芯片的道路是不平坦的。它更像一条弯弯曲曲的充满障碍的路径，经常需要芯片制造商克服其设备和生产工艺中的重大局限性。所有这些问题都被证明并不是令人恐惧的阻碍进展的因素，人们本以为解决这些问题需要付出高昂代价，以致于它们将会使半导体的进展步伐(从而也使半导体工业的发展速度）放慢乃至完全序下来。但是，由于与半导体制造的越本技术有关的若干原因、这些接踵而至的障碍已经越来越严重了。

芯片的制造过程是在一块硅上制作出许多晶体管并把它们互相连接起来以形成复杂的电子系统。这一制造过程的基础是一系列称为掩膜层的工序，通过这些工序把各种材料——其中有的材料对光敏感——的薄膜淀积在硅上并用光照射它们。经过这些淀积和光刻工序后，再对各层进行加工以“蚀刻”出图案，这些图案在精确对齐并与相继各层上的图案结合起来后，就形成了晶体管及连接。通常，在一块薄薄的硅圆片上可同时制出200块或更多的芯片[见图2]。

在第一组掩膜层中，绝缘氧化物薄膜彼淀积在芯片上以制出晶体管。然后将一层称为光刻胶的光敏涂层覆盖在这些薄膜上。用一台步进机使光刻胶曝光，此步进机类似于放大相片用的放相机。但是，步进机不是用底片，而是用掩模来把图案投射到光刻胶上。曝光后，对光刻胶进行显影、这样就形成了称为接触窗的空隙，不同的导电层就在这些空隙中互连起来。然后一台蚀刻机对氧化物薄膜进行切割以制出晶体管的电接点，同时除去光刻胶。

通过大致相同的淀积，光刻和蚀刻工序制出的其它一些掩模层形成了连接晶体管所需的金属或多晶硅导电薄膜。为了制出一块芯片，总共需要大约19个掩模层。

这些制造工序所依据的物理学表明，对于继续取得技术上的进展，存在着若干潜在的障碍。其中一个障碍源于瑞利分辨率极限（它得名于曾获得1904年诺贝尔物理奖的第三代瑞利男爵John William Strutt)。根据这一极限，用一个圆形孔径的光学系统所能分辨出的最小图案的尺寸与光源的波长同物镜孔径的直径之商成正比。换言之，波长越短，孔径越大，分辨率就越高。

这个极限是半导体行业中的一条基本法则，因为它可用来确定芯片上可制出的最小晶体管的尺寸。在集成电路的光刻技术中，最常用的光源是水银灯。对于光刻来说，最有用的线光谱为436纳米和365纳米上的谱线，即谓的水银g线和i线。前者是人眼可见的光线，后者则位于紫外区，刚好不能被人眼看见。所用的数字孔径的范围，其低端约为0.28微米（一般的工业透镜的孔径)，高端约为0.65微米（先进的光刻装置的孔径)。这些数值再加上与大批量生产的要求有关的其它一些因素，使g线透镜的分辨率被限定在0.54微米，而i线透镜的分辨率则被限定在0.48微米上。

直到八十年代中期以前，人们还一直认为g线光刻是实际的极限。然而,i线光刻的障碍一个接一个地被克服了，克服这些障碍的过程生动地说明了半导体工业的经济和技术问题之间的复杂关系。技术上的障碍得以消除，而且，更重要的是，其它障碍被发现只不过是半导体行业所愿意承受的风险的副产物。这一段历史与半导体行业现今所处的局面——接近于i线光刻术的实际极限——极有关系。

发展必定会持续下去吗？

i线光刻的障碍之一在于下面这样一个事实，即透镜中所用的大多数玻璃对于i线频率是不透明的，因此需要使用石英。进一步可以认为，即使能制出实用的石英透镜，但要检査看不见的图案是否对齐也是很困难的。此外，i线辐射只有大约70%能穿过石英，其余的辐射则转化为透镜中的热量，此热量可能使图案发生畸变。

这些也并不表示困难的程度。瑞利极限同吋建立了透镜所投射的图案能够聚集的区间。有限的聚焦深度可能同分辨率极限发生冲突：分辨率越好，聚集深度就越浅。对于上面提到的透镜，最好的g线透镜的聚焦深度为0.52微米，最好的i线透镜的聚焦深度约为0.50微米。这样浅的聚焦深度要求硅圆片的表而非常平坦——比仅仅几年前的最佳设备在一块大芯片的对角方向上所能保持的平坦度还要平得多。

新颖的解决方案克服了这些问题。人们研究出了整平方法以确保光学平坦的表面。对掩模中的图案的边缘进行细微调节，可使人射的i线辐射的相位发生改变，从而得出更清晰的边缘界线，因而也就得到更小的图案，实际上避开了瑞利极限。最新的调节措施之一是采用较低的比例常数值（比例常数与光刻过程中投射到圆芯片上的图象的对比度有关）。对于i线光刻，制造商们咬紧牙关采用了比以前认为实用的比例常数值要低的一个值。使用这个较低的值意味着制造过程中的安全系数也将降低，因而必须对各道工序——包括光刻，淀积和蚀刻等——实行更严格的控制，以使每块硅圆片上制出的合格芯片的数目（即产率）保持高水平。这些革新所带来的成果是,i线步进机现在已大量用于对0.35微米图案进行曝光。

在这最后一个例子中，真正有争论的是一家公司愿意承受的对比率损失。完美的对比度使光刻胶上产生的图象十分清晰。正如半导体工业中的许多问题一样，对比率曾被认为是一个技术障碍。然而，实际上它只是一个风险决策问题。人们发现，只要在生产过程中的其它地方加强控制，则降低对比率井不会使产率下降。

预测这一富有创造性的革新之流何时——或是否——将会枯竭一直是很困难的。但是，当这一革新洪流逐渐变成涓涓细流时，人们将会先感受到日益迫近的技术障碍的经济后果，而后这些障碍本身才会降临。例如，当人们接近并随后越过一项制造技术的极限时，使芯片性能达到更高的水平所需的费用会飞速地上涨。迅速上升的成本可能带动价格上涨到超出用户所能接受的水平，从而使市场在真正的障碍还没有到来前就萎缩了。

不过，当一项新的制造技术最终站稳脚跟之后，芯片制造的成本就开始下跌了。到这个时侯，半导体工业界就从与旧技术相关的成本-性能曲线上过渡到与新工艺相关的成本-性能曲线上。事实上，从一项制造技术到另一项制造技术的突破使成本曲线向下弯，从而把技术极限推到更远的地方去（见图当这种情况发生时，就可以不增加成本而提高芯片的性能，刺激用户更新他们的旧设备。这一点在电子工业界是特别重要的，因为电子产品在过时之前一般都不会用坏。

到此所阐述的原则适用于所有各类芯片，但存储器是销售量最大的生意，在某些方面也是最重要的。百万字节半导体存储器的价格在25年前为55万美元，如今已降到仅38美元。但是，在这段时期中，建造一个生产此种存储芯片的工厂的成本已从不到4百万美元猛增到超过12亿美元，使得这项生意只能被几家大公司所掌握。如此飞涨的成本主要是因为为了实现日益艰巨的技术突破需要付出巨大费它再一次使人们的注意力集中到了半导体工业的极限这一问题上。

需要的突破

半导体行业的发展在近期内不大可能突然停下来。但是目前正日益逼近的障碍是如此之严重，以致越过这些障碍可能会引起比前几轮这类循环所引起的更深远的变化。要想弄清其中原因，需要阐明一下有关这些障碍本身的某些细节。

大多数障碍与构成集成电路的薄膜结构有关，或与制造极薄的导电线路所需的光源有关，或与线宽本身有关。有两个例子涉及到绝缘薄膜的介电常数。介电常数是绝缘薄膜的一种电气性质，它表明绝缘薄膜使信号不在芯片上的密集布置的导线间发生串扰的能力。但是当芯片上集成的晶体管越来越多时,这些薄膜也就越来越密集，信号间的串音现象也就越来越严重了。

一种可能的解决办法是减小介电常数的值。使绝缘薄膜具有更强的挡住串音的能力。这又引发了两个方面的研究工作，一是寻找介电常数值较低的新材料，一是寻找能够进一步降低总的介电常数值的新型薄膜结构。有些工程师甚至还在寻找使绝缘薄膜充满小空隙的方法，以便利用空气或真空的极低的介电常数。

芯片上的其它地方需要具有相反性质——即较高的介电常放——的材料。大多数集成电路都需要电容器。例如，在半导体动态随机存取存储器(DRAM存储器）中，每一位数据实际上是存储在一个电容器中。电容器是一种能够保持电荷的器件。(—个充电的电容器代表二进制的1,而不充电的电容器则代表二进制的零。）通常，一块芯片上可用的电容量总是不够的。电容与介电常数成正比，因此DRAM和与之类似的芯片需要介电常数高的材料。

寻找用于光刻的更高级的光源也是一项艰巨的任务。为了改进分辨率，需要使用较短的波长。但是目前使用的最流行的水银灯光源在比i线（365纳米）短的波长上只发射出极少的能量。准分子激光器在短至193纳米的波长上是很有用的，但在更短的波长上就不辐射什么能量了。在最近几年，准分子激光器光刻术已被用于小批量制造某些专用的高性能芯片。对于更短的波长X射线源是最后的依赖手段。但是，对X射线光刻术进行的二十年研究只获得了不大的成果。大批量生产的芯片没有—种是用X射线制造的。

价值10亿美元的工厂

随着技术障碍越来越多，经济上的障碍也出现了，通常表现在设备（特别是光刻设备）的成本越来越高这一点上。光刻设备的进步是特别重要的，因为这些设备决定了芯片上能够制作的最小图案。虽然这些最小图案的尺寸自从半导体工业诞生之初以来一直以每年14%的速度缩小，但光刻设备的价格却以每年28%的速度上涨。

在早期阶段，每一代新的光刻设备其成本为先前一代的10倍左右，从那时以来，步进准直设备的各代间的进展已使这一陡峭的价格上升趋势变为只是每发生一次新的重大进展价格就翻一番。其它各类半导体制造设备的价格也呈类似的上升趋势。

设备成本这样大幅度地上升推动了建造半导体工厂的总成本迅速增加，其增加速度大约为Moore法则所指出的速度的一半左右，即每三年翻一番。Intel公司目前正耗资11亿美元在俄勒冈州希尔斯波罗建造它的新工厂，并耗资13亿美元在亚利桑那州钱德勒建造它的另一座新工厂。三星公司和西门子公司也分别在建造需耗资15亿美元才能完成的工厂，而摩托罗拉公司则计划建造耗资高达24亿美元的工厂。较小的工厂建造费用较低，但其效率一般也较差。

半导体工厂耗资如此之巨大，这个事实成了人们经常引用的证据的一部分。以证明难以逾越的技术障碍已迫在眉睫。但是，在我们看来，担心这些障碍可能无法克服从而使半导体工业的发展陷于停顿，其依据并不充分。实际情况可能放慢。

这样一种局面并非没有先例。在1985到1988年间，存储器的每位成本上升了279%,但并未带来严重后果。事实上，1988年是半导体工业过得最舒服的年份之一。当每位成本开始持续上升时，最可能出现的结果就是工业界发生显著改变其经营模式的阶段变化。

上升并离去

实际上每一个其历史超过数十年的行业都曾经历过这种阶段变化。虽然半导体工业很明显是相当独特的，但它仍然受经济规律和供求关系的支配。因此,较老的技术行业（如航空、铁路和汽车等）的历史上出现的一些情况看来可作为预测半导体工业未来状况的指南。

同半导体工业一样，航空业的起步也是十分迅速的。在不到10年的时间内，航空业就从莱特兄弟的单翼飞机发展到泛美航空公司的飞剪号班机，飞行堡垒和超级空中堡垒。航空业开初主要是为军用市场服务，然后才发展到民用市场(运送邮件和旅客等)，这一点也同半导体工业相类似。航空业的持续发展是靠不断降低每旅客英里的费用，同时也减少航行时问来支持的。这一双重任务可以同半导体工业界不断增加芯片上晶体管的密度（从而改善芯片的性能)，同时降低芯片的成本的持续努力相比拟。

几十年来，航空业通过把研究开发的重点放在增加载客量和飞行速度上而不断发展壮大。这两个潮流最终以波音747和协和式飞机的出现而达到最高峰。波音747是飞机载客量的一个里程。而协和式飞机则是飞机飞行速度的一个里程碑。虽然747是一种成功的飞机，但除了最远的航线外，其它航线上的747飞机通常是很难座满旅客的。另一方面，协和式飞机在经济上遭到失败，因为它的噪音过大，影响了其使用范围。这两种飞机标志着航空发展的顶峰，因为单靠技术不可能再提供切含实用的更大载客量和更高的飞行速度了，但是，航空业并没有陷于停顿。它进入了第二阶段，这个阶段的特点是设计并建造了适用于更加专门的市场的种类更加繁多的小型飞机，研究开发的重点从提高速度和增加载客量转移到提高效率、减低噪声并使旅客更舒适上。

在铁路方面也存在类似的发展趋势。从十九世纪起直到进入二十世纪七十年代之后很久，机车的拖拉能力一直在持续增大，以降低运送货物的费用。机车是一项相当大的资本开支，但是拖拉能力的增加比成本上升的速度更快。然而,机车的开发成本最终变得非常之大，因此供货商和用户开始携手合作。联合太平洋铁路公司（当时最大的铁路企业）与通用汽车公司的电动机车分公司合作，建造了EMD DD-40型机车，这个庞然大物实在是太大、太笨重了，以致于只适用于横跨整个美国的货物运输。它的失败使铁路行业又转而使用较小的机车，这些机车在运货量较小时可以单独使用，而在运货量较大时又可以联合起来使用。

如今半导体工业所处的境况同铁路公司在EMD DD-40型机车出现之前所处的境况差不多。制造未来若干代存储芯片的工厂的建设费用是如此之高，以致半导体公司已开始联合成不同的集团，每个集团都按自己的方式去解决经济合算地制造这些密度极大的芯片所遇到的数不胜数的问题。

工厂大，花色少

汽车制造业也有若干重要的教训可供借鉴。在二十年代，亨利·福特建造了若干效率不断改进的工厂，其顶峰是巨大的Rouge厂，该厂在1928年首次制造了A型汽车。这个厂从铁矿石开始制造汽车所需的绝大部分零件。但是汽车工业已经发生了变化，福特通过建造更大、效率更高的工厂来降低制造费用的努力是以牺牲产品的多样性为代价的。有一则关于福特公司的笑话是说只要它是黑的，顾客就能买到所想要的任何一种颜色的汽车。

汽车制造业的发展趋势已转移到提供更多的方便、更多的功能和更多的型号上，随着汽车工业的日趋成熟，通用汽车公司的Alfred E.Sloan意识到，效率不再随着工厂规模的扩大而提高了，大工厂主要适合于制造大量的同类产品。因此,他把通用汽车公司划分为若干分公司，这些分公司各有各的市场，并有专门的工厂来供应这些市场。由此得到的花色品种上的多样性受到了顾客的喜爱，而通用汽车公司很快就扩大了自己的市场份额，把福特公司挤了出去。

类似的情况正出现在芯片中。Intel公司把它的486微处理器分成了30多个品种。而在八十年代初期，这家公司生产的8086微处理器只有3个品种，8088微处理器只有两个品种。类似地，动态存储器芯片也在朝着多样化的方向发展。例如，东芝公司目前的4兆位动态随机存取存储器芯片的种类为它在1984年生产的64千位动态随机存取存储器芯片的15倍之多。

所有这些行业——从铁路到半导体一的共同之处是它们的初期阶段一律都是努力改进性能并降低成本。在三个运输行业中——它们比半导体行业成熟得多——第二阶段的特征则是改良产品并增加花色品种，这与芯片制造业中目前正在发生的情况很相似。各公司正在把技术的应用从降低制造成本转到增加产品系列上，重要的一点是，尽管制造成本上升了，所有这些行业依然繁荣昌盛。

半导体工业可能不久后就将进入平台期。晶体管集成度的进展步伐将放慢，而制造成本将开始迅速上升。但正如航空，铁路和汽车行业的发展史所表明的那样，半导体工业在遇到史无前例的、甚至基本上是无法克服的经济和技术障碍时也依然能够蓬勃发展.在较成熟的行业中，发展几乎肯定是靠改进多种多样的产品系列而取得的。

信息存储以及以信息存储为基础的社会功能将不断地向前发展。事实上，降低半导体的发展速度可能被证明有意想不到的好处，比如说使计算机的体系结构和软件有时间喘一口气，使它们能消化芯片性能的巨大飞跃，即使在半导体工业界，成熟也可能是一笔壮观的财富。