奈米製程技術新突破!台積電、交大找出關鍵材料首登國際期刊《自然》
奈米製程技術新突破!台積電、交大找出關鍵材料首登國際期刊《自然》

當半導體先進製程持續發展,晶片的尺寸也逐漸縮小,每次製程的演進都有許多技術需要突破,晶圓代工龍頭台積電也無可避免要投入大量研發能力來「超前部署」、解決可能在5奈米、3奈米出現的技術瓶頸。

台積電攜手交大登期刊《自然》
台積電在科技部「尖端晶體材料開發及製作計劃」的支持下,與交大的研究團隊合作,發表的最新研究登上國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)。
圖/ 簡永昌攝影

台積電技術發展組織李連忠處長表示,除依賴公司內部研發團隊外,與學術界攜手、善用學術界的研究能量突破技術瓶頸也是一種方法,因此近期台積電在科技部「尖端晶體材料開發及製作計劃」的支持下,與交大的研究團隊合作,共同進行單原子層氮化硼的合成技術研究,成功開發出大面積晶圓尺寸的單晶氮化硼,未來將有機會應用在先進的邏輯製程技術上。台積電更是首次與產業合作的研究成果,被刊登於國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)。

步入三奈米製程,「氮化硼」成絕緣體材料新解

氮化硼(BN)並非全新材料,之所以重要是因為其具備良好的散熱效果,更是絕佳的絕緣體材料選擇。先進製程中會需要絕緣體的存在,通常是要協助電子能順利通過晶片裡的通道,

當製程持續往下走、通道勢必越來越小,若沒能靠更好的絕緣體排除掉可能依附的電荷所造成的阻礙,晶片的效能表現將會大打折扣。

先進製程步入3奈米以後,李連忠表示過去7奈米、5奈米時所採用的絕緣體材料如氧化物等將不再適用,原因出在過去的氧化物絕緣體都是三維絕緣體,它們像是一個3D的概念、容易有其他鍵結讓晶片中的電荷依附,造成電流不易通過。

三奈米以後的製程偏向二維半導體,類似一個非常薄的架構、趨近於平面,因此李連忠提到這樣的情況需要採用的是同為二維絕緣體的材料,氮化硼正是一個好的解決方式。

即便半導體業界都知道要採用「氮化硼」作為未來先進製程可能的絕緣體材料,不過技術上依舊無法突破,這也是為什麼這次台積電與交大攜手研究的成果能刊登上《自然》期刊的主因。

不只找出絕緣體材料,如何大量生產才是關鍵

李連忠說到,過去氮化硼的生長只能長成一個不規則的晶體,若要將氮化硼真正應用到晶圓片上,就只能將不規則晶體的氮化硼撕下來貼在晶圓片上,不但效率不彰,大小不一的氮化硼也很難滿足半導體製程所需,因此若能直接在晶圓上直接生長,將能有效解決問題,只是該如何在晶圓上合成高品質單晶的單原子層氮化硼?

李連忠說過去已知的就是利用銅這個材料,但是不同晶面的銅都會影響後續的表現跟價格。

台積電晶圓代工
能成功登上《自然》最主要的原因在於台積電跟交大發現,絕緣體材料氮化硼可以透過高溫高壓的方式,藉由銅(111)在晶圓上合成高品質單晶的單原子層氮化硼。

就以銅(111)來說,是作為合成絕佳選擇,因為它容易取得且穩定,對於未來可能要步入商業化的量產來說,是比較恰當的研究選擇。

成功突破過去技術瓶頸的關鍵,李連忠表示是研究團隊發現銅(111)的表面並不是完全平面、而是有類似像階梯的模樣,因此將氮化硼分子依附在這些階梯的邊緣處,並將這個類似階梯表面的銅(111)先規劃好後,氮化硼就能在高溫高壓的處理下於晶圓上被合成、進而達成大面積晶圓尺寸的單晶氮化硼。

參與此次研究的交大教授張文豪表示,目前實驗室裡面是採用2吋晶圓片的大小做實驗,未來要複製到其他尺寸的晶圓片應該也不是問題。對於正積極佈局3奈米研發的台積電來說,此發現無疑是對接下來3奈米可能遇到的瓶頸找到出口。

半導體材料有新變化?矽可能走到盡頭

面對材料在半導體業界的重要性逐步提升,李連忠也透露矽在半導體已經有好幾十年的應用,若要用全新的材料來取代矽其實也是一大工程,因為周邊技術都需要改變、也需要花時間去應證新材料是否真的能有預期中的表現。目前業界以及相關的會議如IEDM等都對於矽材料有走到盡頭的預測,因此尋找新材料刻不容緩。

台積電透露,目前內部有將近1/10的人力、約6000-7000人投入研發工作。受到疫情影響,每年3月展開的校園徵才預計將視疫情的狀況延後舉辦,屆時將會再募集一批生力軍。

責任編輯:陳映璇

關鍵字: #台積電 #科技部
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導航不是愈高階愈好!桃園產官資源如何賦能互宇向量,讓複雜技術真正「用得起、用得上」?
導航不是愈高階愈好!桃園產官資源如何賦能互宇向量,讓複雜技術真正「用得起、用得上」?

當無人機、無人船失去衛星定位訊號,還能繼續完成任務嗎?這道問題不只考驗導航設備的精度,更牽涉不同技術如何搭配,才能兼顧成本、可靠性與實際部署需求。

要理解自主載具如何在衛星訊號中斷時持續導航,得先認識「慣性導航」。互宇向量執行長鍾宏彬拿棒球作比喻:投手把球投出去後,球沒有GPS或遙控器,仍會依照出手角度、力量與旋轉向前運動。慣性導航則透過感測加速度與旋轉變化,持續推算載具的姿態、速度與位置。不過,慣性導航的誤差會隨時間累積,衛星定位訊號一旦中斷,位置推算也可能逐漸偏移。因此,自主載具需要不同定位與感測技術相互配合。2022年成立的互宇向量,便從這項需求切入,協助客戶選擇適合的導航技術,並將系統整合到產品中。

先定義任務,再決定導航規格

「以終點當起點。」鍾宏彬如此形容互宇向量的產品開發原則。相較於先提供設備、再由客戶自行整合,互宇向量在開發初期便參與討論,了解客戶要完成什麼任務,再決定性能、材料、演算法與預算。這套方法稱為「前端部署」。

以無人機精準投送為例,客戶希望載具不只抵達指定區域,還能接近建築物完成投送。飛行距離、定位精度、是否有人遙控,以及衛星訊號中斷後需要自主運作多久,都會影響系統設計。互宇向量必須先釐清這些條件,再選擇感測元件、調整導航架構,而不是直接套用既有產品。

互宇向量的技術涵蓋光纖陀螺儀(FOG)、慣性量測單元(IMU)、姿態與航向參考系統(AHRS),以及GNSS/INS融合導航方案。團隊曾與產業夥伴在實際水域驗證無人船導航系統,也透過觀音山隧道測試,觀察衛星訊號中斷時的導航表現。

對客戶而言,驗證的重點在於系統能否在任務要求的時間內維持足夠精度。互宇向量也不一定選用最高規格的零組件,而是依照需求調整演算法、材料與系統配置,必要時整合其他供應商的技術,減少客戶自行開發、測試與整合的時間及成本。

從光纖陀螺到系統整合,互宇向量把技術推向可部署的產品

鍾宏彬2010年投入光纖陀螺核心技術研究,2016年共同創辦極星光電。當時核心元件的客戶多具備自行整合能力,應用市場相對有限。他逐漸意識到,若想讓技術接觸更多使用者,就不能只停留在零件,還得往感測模組與完整系統發展。2022年成立互宇向量後,鍾宏彬延續過去累積的技術,採取合作設計製造(JDM)模式,讓團隊從產品開發初期便參與設計與驗證。

他把這種服務形容為「高階料理包」:客戶不必自行採購所有原料、研究怎麼煮,而是由互宇向量協助整合適合的技術,完成產品部署。公司不走低價、拚量路線,而是選擇與少數具有長期需求的專業客戶深入合作。目前團隊服務約12家核心客戶,透過持續參與產品開發,累積技術與合作經驗。

航太市場考驗的不只是技術,還有供應鏈與驗證能力

航太是互宇向量積極拓展的市場。目前約四成業務聚焦航太應用;2023年,團隊也與國家太空中心(TASA)展開策略性合作,推進MIOC與FOG技術的太空應用。

航太產業尤其重視「飛行履歷」(Flight Heritage)。鍾宏彬打趣地說,普通杯子就是杯子,但如果真的上過太空,「它就變成太空杯」。設備即使通過完整的地面測試,仍不等於經歷過發射與太空環境。對國際航太客戶而言,實際飛行驗證是評估設備可靠性的重要依據。鍾宏彬回憶,團隊過去花了兩、三年尋找海外企業客戶,始終不得其門而入。後來有國際業者得知互宇向量與國家太空中心合作,反而主動找上門。這段經驗讓他體會到,進入航太供應鏈除了技術能力,還需要讓國際客戶看見合作經驗與可信度。

從中央大學到蘆竹,桃園產官資源如何成為互宇的產業支點?

互宇向量與桃園的淵源,早在公司成立前就已開始。鍾宏彬從中央大學求學、攻讀博士到投入研究,一路留在桃園;第一次創業落腳楊梅,互宇向量則從青埔搬到蘆竹,建立廠辦空間。他笑稱,自己就像桃園「生出來的baby」。

桃園及北部地區聚集電路板、電子製造與機械加工等供應商,具備成熟的產業基礎。不過,部分業者長期專注既有市場,未必想過自身技術還能延伸至無人載具與航太應用。鍾宏彬舉例,互宇向量曾與傳統機械加工業者合作,協助對方了解航太供應鏈的品質驗證與製造要求,探索跨入新市場的可能。對這些業者而言,挑戰未必是技術能力不足,而是過去缺乏接觸航太應用的機會,不熟悉相關規格與驗證流程。

創業過程中,互宇向量也持續接觸桃園市政府青年事務局及相關局處、育成體系,參與創業交流與產業展會。鍾宏彬看重的是這些場合能讓團隊認識不同領域企業,拓展未來合作的可能。包括Meet桃園+在內的創業輔導與產業交流平台,也為在地新創提供接觸產業資源的機會。

從光纖陀螺核心元件走向完整導航系統,再延伸至航太合作與海外市場,互宇向量逐步建立從任務規劃、技術整合到系統驗證的能力。接下來,如何運用桃園既有的電子製造與精密加工基礎,找到更多能共同開發產品的夥伴,將是團隊拓展國際市場的重要課題。

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