新技術從論文到量產要多久？看懂晶片新聞說的「突破」

新聞常說「研究團隊做出 1 奈米電晶體」「二維材料重大突破」「量子晶片」「光子運算」，聽起來像過一兩年，手機裡就會用上。其實，晶片的一項新技術，從第一篇論文到大量生產，常常要十年以上。實驗室做出一個，只是第一關；還要做得一樣、做得便宜、用得久，整套機台和材料也要跟上。

「研究做出來」「開始量產」「已經很普遍」，差在哪？

這三種說法，離你的手機遠近差很多：

說法	在哪裡	做了多少
研究做出來	實驗室	一個或幾個，能動就好
開始量產	量產廠	每天很多片晶圓，要賣給客戶
已經很普遍	很多家、很多種產品	一般人買到的東西，大多用它

從論文到量產，要過哪幾關？

第 1 步：實驗室做出一個

研究團隊用新的材料或形狀，做出一個能動的開關或記憶格子，寫成論文。這一步證明的是：這個想法行得通。可是那一個，常是用很慢、一次只能做一個的方法做的，還說不上能不能做成晶片。

第 2 步：做出很多個，每個都一樣

接著要在整片晶圓上做出很多個，每一個的表現都差不多。因為一顆手機晶片裡有上百億個電晶體，要照同一個節奏開關。有一些偏得太多，整顆晶片就可能不能用。

第 3 步：跟其他幾百道步驟接在一起

一顆晶片要走幾百道步驟，新的那一步插進去，前後都不能打架：新材料可能受不了後面的高溫（晶圓一路受的熱有一筆總帳，叫熱預算），也可能污染別的機台。例如導線從鋁換成銅，銅跑進矽裡一點點就會讓電晶體漏電，所以要先包一層膜，沾過銅的機台也要跟前段分開（見「晶片裡的導線怎麼做？」）。這一關沒過，新步驟做得再好，也會弄壞前後的步驟。

第 4 步：機台和材料跟上

實驗室的機台一天做幾片就夠；量產的機台一小時要做很多片，二十四小時不停，每一台還要做得一樣。所以做機台和材料的廠商，要另外做出量產用的設備、氣體和化學品，量測的機台也要量得出新的結構。機台太慢，每片晶圓就太貴；量不出來，就不知道做得對不對。

第 5 步：在研發線試產，考可靠度

接著在研發線照真的流程做出整顆晶片，叫試產；一批常拆成幾組、每組只改一個條件（分片實驗），找出最好的那一組。晶片還要考可靠度，例如在高溫、加電壓下連續跑 1000 小時（HTOL），看會不會提早壞（見「預燒是什麼？」）。沒考過就出貨，晶片可能到了用的人手上才壞。

第 6 步：交給量產廠，良率爬上來

做穩了，整套條件寫成標準製程（POR），過了技轉審查才交給量產廠，這叫技轉（見「研發線和量產廠差在哪？」）。量產廠要讓好幾台同樣的機台做出一樣的東西，良率也要一段一段爬上來（見「晶片越大，良率為什麼越低？」）。良率太低，每一顆好晶片分到的成本太高，就賣不出去。

第 7 步：變得很普遍

一開始，新技術常常只用在最需要它、也付得起的晶片上；做的人多了，機台和材料便宜了，才慢慢擴到更多產品。很多晶片會一直用舊幾代的作法，因為夠用又便宜（見「新聞說的「成熟製程」是什麼？」）。所以「開始量產」那一天，你手上的東西多半還沒用到它。

三個例子，各走了多久？

技術	研究做出來	開始大量生產	之後
立起來的電晶體	1980 年代末有類似的結構；大學的論文在 1990 年代末	2010 年代初	2010 年代中，最先進的幾代主要用它
極紫外光微影	1980 年代	2010 年代末	現在也只用在最先進晶片最細的那幾層
往上疊的記憶體	2000 年代後半（現在量產的這種做法）	2010 年代前半	後來越來越多快閃記憶體改用這種

• 立起來的電晶體：把電流走的通道立起來，閘門從三面夾住，很小的開關也關得緊。它怎麼長、後來又怎麼改成四面包住，見「FinFET 和 GAA 是什麼？」。
• 極紫外光：波長大約 13.5 奈米的光，能印更細的圖案。原型的機台早就做出來了，可是光源不夠強，一小時能印的晶圓太少，又追了好些年（見「極紫外光（EUV）是什麼？」）。
• 往上疊的記憶體：快閃記憶體在平面上縮不太下去，就把格子一層一層往上疊，再從上面打穿，現在已經疊到上百層。它是三個裡面走得比較快的；往上疊的構想，更早就有人提過。

新的運算方式，手機很快就會用上嗎？

多數還在研究。手機和電腦裡做事的，仍是電晶體（見「電晶體是什麼？」）。

• 量子電腦：已經有實驗用的機器，有些要冷到接近絕對零度才能動；它擅長的是少數特定的問題，不是要取代手機裡的晶片。
• 用光來算：用光「送」資料，資料中心裡已經在用（見「新聞說的「矽光子」是什麼？」）；用光來「算」，大多還在研究。
• 二維材料：薄到只有一層原子的材料，有機會做成更小的開關；可是要在整片晶圓上長得均勻、跟金屬接得好，都還在解決。

有沒有一把尺，量一項技術走到哪了？

有。一種常見的叫技術成熟度（TRL），分 1 到 9 級：3 級左右是證明想法可行，4 級是在實驗室裡驗證過，9 級是已經用在真的系統裡、證明沒問題。它原本是航太計畫用的，後來很多政府的研究計畫也用。另外有一把專門量「量產準備好了沒」的尺，叫製造成熟度，分 1 到 10 級，其中一級是「已經在試產線上證明做得出來」。

下次看到新聞，可以這樣讀

• 「研究團隊做出 1 奈米電晶體」：走完第 1 步，證明做得到。這個「奈米」跟「2 奈米製程」也不是同一件事（見「新聞說的「2 奈米」」）。
• 「二維材料重大突破」：多半是第 1、2 步有進展，例如做得更大片、更均勻。離量產還有好幾關。
• 「開始試產」：走到第 5 步，正在少量試做、找問題、考可靠度。
• 「開始量產」：第 6 步，量產廠開始大量做；良率可能還在爬，要很普遍還要再等。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」，左右滑到研發整合工程師。晚班是技轉審查前一晚：八項清單還有兩項沒好，可靠度測試還要三週，客戶卻想提早兩週；要不要風險投片，由你建議。研發線也有設備商的駐廠工程師，顧一台剛到的蝕刻機，從驗機顧到簽驗收。主線「晶片的一生」第 1 到 5 章都在研發線。

遊戲演的是這條路最後那幾步：從第一批 12 片晶圓投片到技轉審查，大約四個月；在那之前的研究，不在遊戲裡。遊戲裡的公司、晶片、人物、機台和時間表都是虛構的；新技術要走多久、要過哪幾關，照公開的一般資料寫，年代只寫到十年為單位。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。