英國研究人員發現,藉由逐層堆疊石墨烯(graphene)之類的二維(2D)材料,有可能打造出具完美電子結構的三維(3D)新穎材料。此意想不到的研究結果有助於製作精密複雜的 3D 晶片結構,用來發展更快的資訊處理以及更大容量的資料儲存設備。
由諾貝爾獎得主 Andre Geim 與 Kostya Novoselov 領導的曼徹斯特大學團隊先將以膠帶法剝下的 2D 石墨烯層堆疊起來以,接著在石墨烯層間插入原子級薄的六方氮化硼(hexagonalboron nitride, hBN)晶體,並接上金屬電極以供後續電性量測。研究人員測量電子傳輸性質來檢驗其結構,並將效能表現最佳的區域以聚焦離子束(focused ion beam)切割分離出來,最後以高解析掃瞄穿透式電子顯微(TEM)鏡觀察每一層石墨烯在元件中的位置。
團隊成員 Sarah Haigh 表示,TEM 影像顯示團隊已組裝出具有界線鮮明的原子級介面的新穎 3D 異質結構。更重要的是,他們發現雜質等污染物會分離形成孤立區塊。雜質粒子總是出現於 2D 晶體的上方,並且會在組裝 3D 結構時侷限於夾層之間。Haigh 解釋,這些吸附物不只會降低元件的電子性質,同時也意味著此人造層狀晶體無法僅藉由凡得瓦力形成,而是由各層間的吸附物扮演黏著劑的角色。污染雜質聚集成孤立區塊反而使內部介面乾淨無暇並且有原子級的平坦度,因此具有優良的電子性質。
Haigh 表示,透過此方式以 2D 材料製作 3D 結構,意味著他們能創造出具特定設計性質的電子元件。傳統的電子晶片主要受限於 2D 幾何結構,而此新穎結構將可望用來製作精密複雜的 3D 晶片架構。應用範圍包含更快速的資料處理以及更大的儲存容量。該團隊目前計畫探討更為複雜的層狀結構,以期能瞭解不同組成如何影響石墨烯元件的電子、熱學以及機械性質。詳見 Nature Materials |DOI:10.1038/nmat3386。
今年蘋果 WWDC 大會上發表的 Vision Pro,在市場上引起軒然大波。除此之外,蘋果新推出的 Mac Pro、Mac Studio 也都十分吸睛,他們的共同特點,就是我都買不起。他們的共同的特點,就是裏頭都搭載了 M 系列晶片。從 M2、M2 Max 到 M2 Ultra,除了強大的效能,其輕巧的設計,也讓這些裝置保持輕量。Vision Pro 的重量也可以維持維持在500g,不影響穿戴體驗。要在如此小的晶片中發揮跟電腦一樣效能,除了我們介紹過的 DUV 與 EUV 微縮顯影,一路從 7 奈米、5 奈米、3 奈米向下追尋外。在 M 系列這種系統晶片中,「先進封裝」技術,其實扮演更重要的角色,但到底「封裝」是什麼?它如何幫助 M2 達到高效能、小體積的成果?
答案也並不難,既然在平面空間放不下更多電晶體了,那麼就把他們疊起來吧!如此一來,相同面積上的電晶體數量也等效的增加了。這就像是在城市裡,因為人口稠密而土地面積有限,因而公寓大廈林立,房子一棟蓋得比一棟高一樣。像這樣子不是以微縮電晶體,而是透過系統整合的方式,層層堆疊半導體電路以提升晶片效能的方法,屬於「超越摩爾定律(More than Moore)」,而其技術關鍵,就在於「封裝」。
要做出 Chiplet,在傳統的封裝方式中,會將初步封裝過的數個晶片再次進行整合,形成一個功能更完整的模組,稱為系統級封裝 Sip(system in package);另一個方法則是將數個裸晶透過單一載板相互連接完成封裝,這樣的作法叫做系統單晶片system on a chip (SoC),然而以這兩種方式製作需佔用較大的面積,更會因為晶片、裸晶間的金屬連線過長,造成資料傳輸延遲,不能達到高階晶片客戶如輝達、超微、蘋果等公司的需求。
先進封裝最大的優勢,就是大幅縮短了不同裸晶間的金屬連導線距離,因此傳輸速度大為提升,也減少了傳輸過程中的功率損耗。舉例來說(下圖),傳統的 2D SoC,若是 A 電路要與 C 電路傳輸資料,則必須跨越整個系統的對角線距離;然而使用三維堆疊則能夠將 C 晶片放置於 A 晶片的上方,透過矽穿孔(through silicon via, TSV)技術貫穿減薄後的矽基板,以超高密度的垂直連導線連接兩個電路,兩者的距離從此由天涯變咫尺。
另一方面,三維堆疊也減少了面積的消耗,對於體積的增加則並不明顯,因此我們能夠期待,手機、平板、或是 Vision Pro 等頭顯未來除了功能更多以外,還會變得更加輕巧。
散熱問題在先進封裝中,目前還未完全解決,但可以透過熱學模擬、使用高熱導係數材料、或設計導熱結構等方式,做出最佳化的散熱設計。建立良率測試流程也非常重要,試想,如果在堆疊前沒有做好已知合格裸晶測試(known good die testing),因而誤將合格的 A 晶片與失效的 B 晶片接合,那麼不只是做出來的 3D IC 只能拿來當裝飾品,還白白損失了前面製程所花費的人力、物力及金錢!