奈米碳管勇闖晶圓廠
～以奈米碳管製成的記憶體，具有足以超越所有記憶體的優勢。終於將進入晶圓廠面臨量產的成敗考驗。有可能成功嗎？ ～
李柏（Charles M. Lieber）是奈米科技領域的大老，他在1998年時要求他的研究生，著手設計一種全新的電腦記憶體，能以小於10奈米的元件，來讀寫數位位元。這位德國籍的研究生魯可斯（Thomas Rueckes），之前就一直在李柏位於哈佛大學的實驗室中，從事奈米碳管電性和材料特性的測量工作。奈米碳管是直徑約一奈米的圓柱體，表面由六邊形的碳環所組成，看起來就像是蜂窩或鐵絲網。奈米碳管自從1991年問世後，其頂級材質和電性便受到科學界的極度讚賞。
李柏想聽聽看魯可斯對於奈米碳管有些什麼構想，好向美國國防高等研究計畫署（DARPA）所贊助的分子電子學計畫申請經費。魯可斯花了幾天的時間翻遍書籍和評論性期刊，不過都沒什麼斬獲。有天晚上，他離開化學實驗室，穿越街道走往哈佛科學中心的餐廳。在他外出覓食的途中經過了哈佛馬克一號（Harvard Mark 1）的旁邊。這個長約17公尺的大怪物是現代電腦的前身，在1959年前，都是用來協助美國海軍從事射擊和彈道的計算，現在則成為科學中心大廳裡的裝飾。魯可斯在回到實驗室時想到，馬克一號的運作是利用機械式繼電器的來回移動。魯可斯回憶道：「我靈光一閃，腦中浮現了建造記憶體的方法。」
過去很多研究人員，都嘗試以奈米碳管做為新型電晶體的線路或元件。馬克一號激發出的靈感，讓魯可斯將重心放在奈米碳管的超凡強度和彈性上。他猜想，藉由奈米碳管的彈性向上、向下伸縮，或許能分別表現0和1的狀態，就像是超小型的馬克一號繼電器。魯可斯說：「我們坐下來，花了幾天擬定計畫書，呈遞給DARPA，他們在一天內便核准此項經費。」
直到2001年畢業前，魯可斯都持續發展著他這個想法。在這期間，他了解到奈米碳管能提供的作用還多得很。理論上它還可做為通用記憶體的材料，其結合了靜態隨機存取記憶體（SRAM）的速度、動態隨機存取記憶體（DRAM）的低價，以及快閃記憶體（flash memory）的非易失性（可立即運作）。這種「超優材料」(uber- material）狀態，不但省電，還能防止冷、熱和磁力可能造成的傷害。
當十億分之一遇上兆
這項設計的紙上作業十分簡單。在微晶片表面，由奈米碳管構成的陣列中，各自都可單獨做為可尋址的電機開關，使微晶片得以儲存數百、甚至上千Gb（Gb為10億位元）的資訊。一個外加電場，或許就能讓奈米碳管向下彎曲而嵌入晶片表面的蝕刻凹槽內，然後碰觸到另一個奈米碳管（在目前的設計中，碰觸到的是個金屬電極）。奈米碳管一旦彎曲，就會維持那樣的狀態，因此即使電源關閉，原來的資訊仍可保留（亦即非易失性運作）。分子間微弱的凡得瓦力，能夠使開關維持在原來的狀態，直到施加另一個方向相反的電場，讓奈米碳管回復伸直的狀態。
在魯可斯尚未完成哈佛的學業時，便受到一家網際網路公司高層的邀請，希望魯可斯能為公司尋找新的發展方向。這名主管是哈佛大學企管碩士、曾任管理顧問的施梅格（Greg Schmergel），他從創辦網際網路事業的經驗中了解，這種新興媒體是如此變化莫測，而且要進入該領域的門檻也不高。施梅格的專業諮詢服務公司 ExpertCentral.com被併入About.com、爾後又被Primedia收購，讓他深深感受到這個產業的無常。
奈米科技的浪潮似乎比.com那種狂風大浪要來得溫和些。除非是書店的科幻小說區，否則大部份的人，甚至包括科學家，都無法對奈米科技訂出一個令人信服的定義。對施梅格而言，奈米科技產業與網際網路公司的差異程度，和其他想像中的事業差不多，他仍舊無法對奈米科技有全盤的了解。不過另一方面，施梅格擁有企業家的家學淵源（他的父親是第一波生物科技公司的創辦者之一），因此對於企業經營確具了解；而魯可斯則對奈米科技這個新興領域略有所長。
因此，就在2001年，施梅格、魯可斯，以及李柏的另一位學生西格爾（Brent M. Segal），聯手創立了奈特羅公司（Nantero）；這個名字的來源，不外乎是結合了「小」（nano）與「大」（tero，它是tera、trillion的變形，意指「兆」）。李柏自己則繼續待在他哈佛的實驗室，從事更進一步的計畫，例如能自行組合成元件的奈米智慧導線，這種元件能夠透過生物性或其他非正統訊號，達成結構元件之間的溝通。
奈特羅的首要任務，是項更先進的計畫，要設計出可以在半導體設備中量產的元件。奈特羅把公司設在麻州窩本的園區，那裡聚集的主要是生物科技公司。施梅格把會干擾他研究的事情都盡量移除，例如，他尚未讓奈特羅登入窩本的工商名錄。剛開始他們的研究小組接洽了不少晶片製造大廠，但那兒的工程師對他們的簡報，並非總報以溫暖回應。魯可斯記得曾有位經理劈頭大罵：「我們可不想讓你的病毒出現在我們的工廠裡。」
去蕪存菁
奈米碳管的材料是由供應商那兒大量購入，是一種高科技煤灰，含有約5%的殘餘鐵質，這種污染物對於動輒上百萬美元的無塵室，會造成莫大損害。奈特羅的團隊在發展初期，花費很多精力在設計複合的過濾程序，降低鐵的含量，好將這些材料中的鐵質降低到約10億分之幾的程度。
要將捲縮的碳網製作成電路，光刻和蝕刻製程已經證實是困難重重。要蓋新的晶圓廠得花20億美元，而以保守著稱的晶圓廠經營者，也沒有意願引進新的設備，來將奈米碳管的製程整合到互補式金屬氧化物半導體（CMOS）的標準製程中。在奈特羅開始營運時，都還沒有找到一個好的方法，可以將奈米碳管建構在晶圓（亦即矽製的圓盤，分割後便成為晶片）表面、又不會干擾鄰近電路。如要利用蒸氣將奈米碳管建構在晶圓上，則需很高的溫度，但這樣一來，原來的電路就會毀壞。而要是使晶圓像留聲機唱盤那樣旋轉，讓含有奈米碳管的溶劑附著在晶圓表面，也還是有問題。氯苯是種很合適的溶劑，但因為含有劇毒，晶圓廠嚴禁使用。
奈特羅設計出一種專門的溶劑，適合用來做旋轉塗層。在移除溶劑後，材料表面會留下一層奈米碳管薄膜，以供進行光刻和蝕刻，使晶圓表面分佈著一束束等間距的奈米碳管。靠近仔細看，這些團團絲線般的奈米碳管，就像是一簇散亂的織品纖維。若對其施以外加電場，便能使這些纖維般細線向下彎曲，直到觸碰電極，此時便表示位元1。協助奈特羅進行此製程改良的，是半導體機組製造大廠艾司摩爾（ASML）。
在奈特羅對這項技術有了把握後，便開始尋找下階段的半導體製造商。2003年，專事通訊晶片製作的龍頭老大——巨積公司（LSI Logic），同意將奈特羅的「奈米碳管隨機存取記憶體」（NRAM）製程，加入他們在俄勒岡州格雷斯罕的工廠中。令人訝異的是，這家合作廠商在九個月內，便完成了運作的原型。計畫很快便開始進行，預計在2006年讓第一批記憶體上市。格雷斯罕廠的總經理阿默（Norm Armour）表示：「我還是覺得不可思議，這玩意兒竟然可以運作，因為我本來是有點懷疑的。」巨積公司對於以此科技取代SRAM 很感興趣，因為SRAM在微處理器中，佔去了晶片很大的空間。NRAM的速度比SRAM 快，更節省許多空間，耗電量也比較小。
接下來，巨積和奈特羅將會致力於提升製程良率，讓上百萬個奈米碳管記憶體在近乎完美的高重複性下製造出來。為了達到高良率，工程師必須對各式各樣的細節下工夫。舉例來說，如果懸吊奈米碳管的溝槽，其邊緣不夠鮮明，便會影響元件的電子特性，讓啟動開關的電壓受到影響。巨積的資深計畫經理霍恩巴克（Verne Hornback）評論：「良率是個大問題，但沒什麼是不能克服的。」
即使奈米碳管記憶體已進入生產程序，還是有人感到懷疑。加州聖克拉拉的市場分析公司大型積體電路研究（VLSI Research）執行長哈奇森（G. Dan Hutcheson）就說：「奈特羅的點子很不錯，但我認為，要發展出可靠的製程，路途還很長。」他又說：「如果奈特羅能像他們說的那樣，量產出在價格上足以和DRAM競爭的元件，那我會非常訝異。因為我實在很懷疑，這樣的製程是否可行，並且可以重複製造。我想良率應該不高。」
奈米碳管研究領域中的領導者IBM，並未從事奈米記憶體製造，而是決定專注於以奈米碳管取代電晶體內部的一個重要零件，來執行電子傳輸功能。IBM華生研究中心的科學家艾佛利斯（Phaedon Avouris）評論：「要找尋記憶體的材料並不是問題，問題在於我們已經沒有多少可以用來處理邏輯運算的材料，而奈米碳管有許多適合邏輯運算的獨特屬性。」
當然，奈特羅認為他們今年與巨積的合作發展，會讓這些疑慮不攻自破。例如他們在哈佛研究室的初期設計中，以整批的奈米碳管纖維取代個別的奈米碳管，便可避免每個奈米碳管間尺寸差異的疑慮。此外他們也吸引了另一個事業夥伴「BAE系統」，發展抗輻射的NRAM，以應用在國防和航空上。奈特羅申請了60項專利，其中10項已經獲准。即使最後這些晶片無法符合預期，奈特羅也會留下一些寶貴的技術知識，可以授權給想結合奈米碳管與晶片製造的人。
【本文轉載自科學人2005年3月號〈奈米碳管勇闖晶圓廠〉】
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