進入2005年不久，國外各大科技廠商紛紛針對次世代高科技的未來革新趨勢進行預測與評估，具體內容包括平面顯示器（Flat Panel Display；FPD）、LSI積體電路、奈米科技（nano）、可攜式電子產品的電源，以及無光罩半導體製程等等。雖然這些科技看似非常識性，卻可預期是未來十年各科技廠商主要獲利來源，因此如何在既有基礎上建立獨自的核心技術，同時開拓新的應用領域，成為全球關注的焦點。

本文計畫深入探討FPD、LSI積體電路、奈米科技、微型發電元件、無光罩半導體製程等幾項次世代高科技的未來演進，以提供產業界參考。礙於篇幅，本期將先介紹次世代FPD與LSI積體電路技術發展趨勢。

次世代FPD技術

所謂的平面顯示器包含電子紙在內，舉凡液晶顯示器、電漿顯示器、有機/無機顯示器都是其範疇，而融入生活空間、高臨場感、取代紙張則是平面顯示器的終極訴求。一般認為2010年以後可實現上述三大目標的次世代新技術將主導顯示器產業，如(圖一)。由於上述新技術大多仍處於基礎研究階段，距離實用化還有許多問題有待克服，相對的何者能率先突破技術障礙，基本上未來在市場上就有機會獲得絕對優勢。

融入生活空間

有關第一項融入生活空間，以飛利浦（Philips）的「人工智慧」構想最具代表性，亦即平時空間內並無任何顯示器形體，欲觀賞影像時空間才會顯示影像；該公司在2003年11月推出的「Mirror Display」就是該構想的雛形產品。該顯示器具體結構是一旦停止觀賞影像時，顯示器就變成一片毫不起眼的鏡子，藉此方式淡化顯示器形體的刻板印象。芬蘭FogScreen Inc的「Fog Screen」，與美國IO2 Technology的「Heliodisplay」則是在自然空間顯示影像；如(圖二)、(圖三)。

Fog Screen是用水粒子在自由空間製作透明的銀幕，再將影像投射至該銀幕。2003年8月推出的實驗機型，可在自由空間製作寬2公尺、高1.5公尺的水粒子透明銀幕，再利用投影機投射影像。如果水粒子單純噴霧，氣流會四處流竄造成影像嚴重晃動，因此必需控制噴霧器的氣流，使水粒子能夠呈平板狀擴散。(圖四)是日本湘南工科大學提出的水粒子銀幕構想，該銀幕可以顯示動態全像（Hologram）影像。2003年8月美國IO2 Technology發表的「Heliodisplay」雖然未公佈詳細結構，不過將影像投射至極薄的空氣層，基本動作原理則與Fog Screen的構想完全相同。

高臨場感

:有關第二項高臨場感，是指將影像如同肉眼觀察到的景物般的再生，它並不是單純的深淺層次立體感的影像顯示，而是從側面觀賞物體時也能看到物體側面，而且視角與視域都非常寬廣，眼睛也不會有疲倦感。實現以上目標的具體方法分別有「視網膜直接掃描方式」與「空間影像再生方式」兩種。

其中美國Microvision直接將影像寫入視網膜的視網膜掃描方式已在2002年商品化，具體動作原理是根據影像信號使低功率雷射點滅，接著利用微機電技術（Electro Mechanical Systems；MEMS）製成的微鏡片將雷射反射至視網膜使，由於微鏡片以一定傾角高速在視網膜掃描雷射光，因此觀賞者可以獲得前所未有的高臨場感，該顯示器整體重量約510～765公克，如(圖五)，預定2004年推出輕量化次世代產品，同時還計劃增加上下17度、左右23度的畫角，並開發可隨著眼睛移動改變掃描影像的新技術，試圖藉此建構高解析、高臨場感影像掃描系統。

空間影像再生方式是則利用物體反射的照明光線直接再生，使物體有如矗立在眼前般的高臨場感。光線再生方法則可分為「Integral Photographer」，與利用干涉紋記錄、再生光線資訊的「Holography」等兩種。「Integral Photographer方式」是利用複數小型相機從各角度拍攝影像，再將上述成影像的光線重合再生。日本NHK曾在99年利用Integral Photographer的影像與進行即時再生測試，影像再生時使用TFT液晶面板，因此只能獲得解析度為160×117的立體影像，與50cm的視域直徑，NHK計劃未來將解析度提高5倍，視域直徑為1m，屆時目前的顯示器與相機必需從4000×2000解析極限再提高10倍以上。

此外NHK同時在2001年利用Holography方式將雷射光，照射記錄有干涉紋的液晶device，使Holography作電子化再生，徹底解決傳統Holography無法顯示動畫的困擾，該試作機的視域為6.5cm非狹窄，因此兩眼只能勉強觀賞立體影像，液晶device有效畫面尺寸為1.7吋，畫素間距為10μm，解析為3840×2048，根據NHK表示畫素間距若能微至成1μm，視域可以輕易擴大10倍以上。

電子紙

有關第三項電子紙，最終目的是兼具易讀性與任意改寫等紙張特徵，同時還可以顯示動畫，雖然已經有廠商推出由膽固醇液晶方式與電氣泳動方式構成的電子紙，不過這兩種型式的電子紙反應時間都非常慢只有100ms，因此未來必需設法提高改寫時間與動畫顯示；相較之下利用著色粉體移動特性，顯示畫面的「粉體移動方式」，與利固體界面濕潤性變化特性，顯示畫面的「Electro wetting方式」高速電子紙技術則備受囑目。

粉體移動方式是日本千葉大學北村教授提出，98年北村教授曾經利用由氟化碳構成的白色粒子與樹脂、carbon構成的黑色粒子，使黑色粒子上下移動進而實現黑白畫面顯示，由於顯示面無法全部覆蓋黑色粒子，因此畫面的對比（contrast）偏低；富士全錄則是使黑色與白色粒子帶相異的電位，藉此使兩種顏色的粒子朝反方向移轉，如(圖六)，顯示黑色畫面時白色粒子被吸至內側面板，如此一來畫面就全部被黑色粒子覆蓋，進而使得對比大幅提高，根據該公司試作面板的測驗結果顯示，該電子紙的反應時間高達5～10ms；Bridgestone則利用具備液體動作機制的粉體，獲得0.2ms的反應時間。粉體移動方式另一項課題是降低驅動電壓，因為目前驅動電壓高達70～500V，如果使用標準驅動IC，驅動電壓必需低於數十V以下。

Electro Wetting方式是飛利浦開發的技術，如(圖七)，它是在白色基板上的疏水性絕緣膜表面塗抹著色油膜，未施加電界時著色油膜會覆蓋絕緣膜，因此看不到油膜的顏色 ，一旦施加電界絕緣膜會由疏水性變成親水性，油膜因表面張力變成圓珠狀並從絕緣膜表面剝離，其結果使得大部份的絕緣膜露出表面呈現白色基板，目前最大課題是絕緣膜的露出面積只有畫面整體的60％左右。

次世代LSI積體電路技術

如(圖八)所示，未來LSI積體電路將發生質變，軟體將受到高度重視，尤其是SoC（System on Chip）等產品，必需將功能做軟性改變，以符合所謂的「軟性LSI積體電路」時代需求，因此原本可以利用軟體變更功能的微處理器（micro process）與記憶IC，也開始進行構與原理等根本性的修正。

SoC是將複數功能集中在一片晶片上，所以SoC一直是微細化與大規模化的重要技術指標，未來不改變硬體結構的前提下，變更功能達成所謂的「柔軟性」要求會受到高度重視，主要原因是半導體進入90nm node後，SoC的光罩成本動輒超過一億日圓，變更SoC的功能，意味必需開發全新的晶片，其結果勢必面臨高額的製作成本等困擾。

追求更高柔軟性的FPGA元件

為提高SoC的柔軟性所建立的開發指標可用(圖九)的「key word」表示，雖然改寫微處理器的軟體內容，同樣也能達成LSI積體電路柔軟性的目的，不過卻有處理速度大幅降低之虞，相較之下利用電路資料的讀取改變硬體結構的技術，已經成為半導體業者關注的焦點，例如FPGA（Field Programmable Gate Array）就是典型的代表；不過相關業者對FPGA的動作速度與耗電量不滿聲浪卻日益高漲。有鑑於此，日本產業技術總合研究所開發不但可將積體電路改變成類似FPGA電路結構，同時可以改善動作速度與耗電量，它的效果不亞於專用硬體，幾乎等於是具備新功能的晶片，如(圖十)、(圖十一)。該技術稱為 LSI「Flex Power FPGA（FP2GA）」。基本上它是獨立控制電晶體的峰值電壓，藉此方法包含電路結構在內，甚至電路的速度分佈與電力分佈都可以重新建構。

雖然降低電晶體的峰值電壓可以提高電晶體的動作速度，不過off時source與drain之間的漏電電流卻會增加，相反的若提高電晶體的峰值電壓雖然動作速度會減緩，相對的卻可大幅降低漏電電流，進而獲得低耗電化效益，也就是說要求高速動作時電路上可依據各部位的需求，分別使用低峰值電壓電晶體與高峰值電壓電晶體。

雖然上述手法已廣泛應用於SoC，不大多數卻在峰值電壓相異的電晶體製作階段時被分開，因此製作後無法改變電晶體的峰值電壓。此外在所謂的「body device」特定電路block施加電壓，藉此控制峰值電壓的技術，卻無法以電晶體為單位進行控制。

(圖十)是上述FP2GA採用double gate結構，製成所謂的「XMOS」新型電晶體的動作原理，該電晶體具備電晶體單位控制峰值電壓的功能，主要原因XMOS電晶體是用兩個gate電極挾持channel，第一gate負責控制channel，第二gate則負責控制峰值電壓，也就是說XMOS電晶體一改傳統三端子結構，成為四端子動作的元件。不double gate結構的電晶體製作非常困難，所倖的是進年隨著微細化技術的進步，一般認為具備四端子的XMOS電晶體，未來將成45nm node的主流技術。

在此同時產業技術總合研究所開發EDA技術「Flex Power VPR」，該技術可根據電路資料在晶片上建構電路，如(圖十二)。如果只是單純的電路建構，事實上目前FPGA用layout與佈線tool已經可以勝任，不過電路分成要求高速性與非高速性兩種時，就必需將XMOS電晶體的峰值電壓作各別的最佳化設計，因此需要在一般layout與佈線tool內，追加速度與電力分佈最佳化設計等功能。

由於目前尚無法利用XMOS技術製作晶片，因此出現許多模擬分析提案，具體內容是先設計FP2GA的基本邏輯結構，接著再根據body device，進行基本電路的速度與耗電特性評估 ，再將評估結果反映在EDA tool，同時以FP2GA建構各種bench mark電路，最後才進行耗電特性降低效益，與速度提升效益的評鑑。

(圖十三)是利用佔晶片整體耗電量極大比率的漏電電流的電力消耗特性，當作20種bench mark電路的平均值計算的結果，由圖可知FP2GA的電力消耗（漏電電流所造成）只有具備同等級處理能力FPGA的1/30左右。

微處理器之演進趨勢

事實上微處理器（micro process）具有極高的柔軟性，它可利用軟體輕易變更內部的功能，因此研究人員提出大幅改變提升性能的全新構想，試圖藉此手段充分發揮上述特性，進而達成處理性能提升目的。以往為了提升處理性能大多是採用提高clock頻率，與微處理器並聯兩種方式，未來則會利用單晶片執行複數應用，這種方式又以美國Sun Microsystems的動作最積極。

促使微處理器高性能化的主要原因，是最近幾年網際網路終端機的數量急遽增加，如(圖十四)所示，90年代的網際網路是以電腦為主軸，終端機的數量大約是108台，目前則是以行動電話為主軸，終端機的數量大約是1011台，預估2007～2008年所有的物流商品可能都具備類似「μ晶片」的無線ID標籤（tag），屆時終端機的數量會暴增至1014台，相對的資料的交易量大幅增加，使得伺服機的工作量更加吃緊。90年代終端機的數量從108台增加成1011台時，曾經發生伺服機的處理能力不敷使用的窘態，因此一般預料2007～2008年可能會重演上述現象，為避免重蹈覆轍因此伺服機的處理能力必需提高1000倍以上。

基本上Sun Microsystems是利用下列三種組合技術提升微處理器的性能，分別是：

其中「Chip level Multi letting（CMT）」處理技術是它的核心，這種技術主要目的是試圖使記憶体的等待時間作有效應用，如(圖十五)、(圖十六)，因為目前大部分的微處理器即使提高動作頻率，對處理性能的提升幾乎毫無幫助，例如1.2GHz微處理器的動作頻率提高1.8倍，相對的耗電量也增加1.8倍，成本則暴增5倍可是處理性能卻只增加1.2倍，造成這種現象主要原因是微處理器的動作時間中，有75％被記憶體等待時間佔用，因此CMT技術就是要利用記憶體的等待時間作其它處理。雖然過去所謂的「Super Scalar」技術可在單一clock cycle執行複數個指令，不過根本上它是將微處理器的指令分割並列處理，所以實際上處理application的數量只有一個；相較之下CMT技術是改變微處理器的結構，同時處理複數個application。Sun Microsystems計劃在2006～2010年階段性將微處理器單體的處理性能提高30～100倍。

熱探針記錄技術

到目前為止，記憶IC藉由晶片微細化與cell結構設計，獲得極高的大容量化效益，一般認為未來傳統記憶IC會被微積電技術（MEMS）製成的「multi probe memory」取代。基本上它是可移動原子的探針（probe）顯微鏡衍生技術，利用該技術可實現超極限的高密度記錄，如(圖十七)所示，這種probe可分為下列兩種：

熱探針的動作原理與類似光碟片非常類似，它是利用熱能使媒體產生位相變化藉此記錄資料，唯一差異是光碟片是使用雷射光加熱，熱探針方式是改採微細探針，如(圖十八)，探針前端設有微型加熱器（heater），探針加熱的同時會與媒體接觸，記錄大小只有數百nm的資料，直徑30nm的微型加熱器則是利用MEMS技術製作。

目前熱探針記錄技術還有許多問題有待克服，首先是寫入速度為1μs非常緩慢，主要原因是探針會殘留熱能，無法像雷射光束一樣立即切斷熱能恢復原狀，因此利用微細加工在晶片上製作1000根以上的探針，藉此達成高速寫入的要求；第二項問題是無法改寫資料，基本上熱探針無法迅速冷卻，所以無法像光碟片等相變化媒體，反覆作結晶與amorphous轉換；第三項問題是探針恆時與媒體接觸極易磨耗，因此使用高硬度?石探針與軟質聚合體材質記錄媒體，如(圖十九)。

上述電氣probe則以具備強誘電膜層媒體的「強誘電體probe memory」最具代表，基本上它是使用「SNDA」技術在探針前端施加電壓，使強誘電膜層的雙極子反轉藉此記錄資料，由於強誘電體的鄰近資料相互干涉遠比磁性體低，所以可以獲得極高的記錄密度，而且它是利用電氣特性寫入資料，因此具有高速與資料改寫的優點。除此之外probe memory更是實現超微型X-Y stage不可或缺的元件。(圖二十)是東北大學開發的積層壓電actuator的外觀，由圖可知正方形筐體周圍設有stage可朝X-Y-Z方向自由移動。

小結:

以上所探討的平面顯示器與LSI積體電路領域的次世代技術，已經是歐、美與日本等地大廠正積極佈局的發展重點，可望在未來十年成為主導市場的主流科技。下一期將繼續針對奈米科技、微型發電元件、無光罩半導體製程等技術，為讀者做深入的介紹，敬請期待！

延 伸 閱 讀	廠商紛紛朝向次世代顯示器的開發，其中以塑膠基板為主的可撓式的面板更是各家努力的方向。相關介紹請見「新世代顯示器明星──可撓式塑膠面板」一文。 電子紙結合傳統紙張輕巧、攜帶方便，以及電子螢幕可重複刪寫、儲存大量資訊的優點，成為媒體的明日之星。你可在「電子紙商機爭霸戰」一文中得到進一步的介紹。 大多數研究人員認為，在目前的實驗室研究中，探針儲存是最有前途的儲存技術。在「消費性革命帶動前瞻性儲存技術」一文為你做了相關的評析。

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