|  站内搜索:
网站首页 > 时事聚焦 > 深度评析 > 阅读信息
“中国诺贝尔奖”给了光刻技术的颠覆者,没有他就没有台积电的今天
点击:  作者:陈伊凡    来源:经济观察报  发布时间:2018-11-25 12:11:48

 

 (图片来源:全景视觉)

经济观察报 记者 陈伊凡 估计戈登·摩尔(Gordon Moore)自己也没有想到,53年前发表在《电子学》杂志(《Electronics Magazine》)上的《让集成电路填满更多的组件》,会在随后半个多世纪左右半导体行业的发展。他曾在文章中预言,半导体芯片上的集成晶体管和电阻数量将会每年增加一倍,该预言也被后世称为摩尔定律

尽管摩尔定律在过去30年间被证明相当有效,但如果没有一个人在技术上的突破,该定律可能早在此之前就已终结。这个人就是美国国家工程院院士、台湾中央研究院院士林本坚——2018年未来科学大奖数学与计算机科学奖的唯一获得者。他曾是台积电的研发副总裁和杰出研究员。台积电前董事长张忠谋曾说,如果没有林本坚,台积电的微影就没有今天的规模。

改写历史

70多岁的林本坚,个头不高,举手投足间透着儒雅和礼节。

1119日,在清华大学FIT楼的多功能厅,林本坚以把半导体元件缩到光波长四十分之一为主题,介绍了他倾其一生的光刻技术。当下热门的人工智能芯片、5G芯片、挖矿芯片背后,几乎都有浸润式光刻技术的身影。根据IEEE近期的数据统计,浸润式微影技术制造了至少世界上80%的晶体管。

林本坚戏称自己所在的光刻行业是一个寂寞的行业。这不仅与半导体行业本身很的特点相关,也与光刻所需的技术门槛和研发周期相关。全球精于浸润式微影技术的工程师不超过十位,林本坚便是其中翘楚。

如今,这个寂寞的行业正成为左右半导体芯片生产最为复杂和关键的步骤所在。

芯片生产主要分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。根据目的进行逻辑设计和规则,根据设计图制作掩模以供后续光刻使用,然后将芯片的电路图从掩模版转移到硅片上,实现预定的芯片功能,包括光刻、刻蚀等,最后IC封测对芯片进行封装和新能测试,再完成交付。

而将电路图从掩模版转移到硅片的过程,是半导体生产的难点。光刻技术是解决这一难点的关键步骤之一,其工作原理是在晶圆上涂上光刻胶,把掩模版放在晶圆上,让光进行透射,经过物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,被光透射到的光刻胶就发生性质变化,形成刻在硅片上的线路图。

通常说的45nm28nm10nm,是半导体的不同技术节点,即不同制程。制程越小,单位时间内芯片能处理的信息就越多,信号传递速度更快,并且单位面积的提升能够降低制作成本。光刻的工艺水平,直接决定芯片的制程水平和性能。

在半导体行业最初发展的三十年中,摩尔定律基本得以实现的关键,就在于光刻机能不断实现更小分辨率,能够在单位面积芯片上制造更多的晶体管,提高芯片的集成度。

在上世纪初,全球半导体制造路径从0.13微米、90纳米到65纳米制程,根据摩尔定律,下一个工艺制程推算应该发展157纳米光源的光刻技术,但157纳米光源的商业化进程迟迟未能落地,摩尔定律面临终结。

然而,林本坚用以水为介质的193纳米浸润式微影技术,改写了这一进程。2004年,台积电和ASML共同完成开发了全球第一台浸润式微影机台。随后,台积电启用全世界第一台193纳米浸润式微影技术机台,正式跨入65nm线宽的生产。这一技术成为此后654532纳米线宽制程的主流,推动摩尔定律往前推进了三代。

为什么是林本坚

林本坚语速很慢,擅长用类比和故事来解释艰深的技术,例如有趣的 K系数“20735 28nmSRAM Cell可以放在一根头发的横截面上。他可以从自己高中第一台照相机开始,说起自己与光的缘分。

而对于艰涩的光刻技术,林本坚就是从光刻机最小分辨率的计算公式开始讲起的。公式中的每个系数,对应着半导体生产流程中的各个关键技术,当然也包括得出高解析度的秘密。

通过缩小分辨尺寸以增加解析度,这是一直以来许多工程师都在尝试的办法。具体操作无外乎增加孔径、减少波长、减少工艺常数以及增加折射率这四个路径。

第一种方法最为容易,只需花钱定制更大镜头的机器即可。但如此一来,镜头复杂度增加的同时,成本也随之提升。

而降低波长的第二种方法,则需要改变光透射的媒介,且光阻的透明度也很难提高,同时也达不到降成本的目的。

但降低波长的办法在很长一段时间里却颇为叫座。工程师们曾绞尽脑汁在将波长缩短至157纳米的方法上,许多芯片厂商为此甚至投入数十亿美金。但镜片所需要的高品质材料以及光阻的透明度一直无法突破,157纳米波长技术似乎走入死局。

减少工艺常数作为第三种方法看似完美,但真正在工程上做出改变却很难,仅仅将它降低0.05就已十分艰难。用林本坚的说法,这需要持续的创新

在成本可控和技术可实现之间,林本坚找到了自己的答案:增加折射率成为最后也是唯一的选择,以水作为介质的193纳米浸润式微影的技术应运而生。

此前的光刻机都是干式机台,曝光显影都是在无尘室中,以空气为媒介进行。浸润式微影技术可以用193纳米的光刻镜头,用水作为介质,由于水的折射率大于1,进入光阻的波长也就缩小到134纳米,解析度随之提高,并且景深不会降低。

为何会是林本坚?这一看似理所当然的技术,为何不是被诸如IntelIBM等行业巨擘率先突破?

其实早在浸润式微影技术发明之前,美国、欧洲和日本的设备厂已经投下大量研发费,用开发157纳米光源的光刻技术。如果再从193纳米光源的技术中找突破,相当于挑战业界的共识。

那段时间,林本坚不断做实验、发论文,像一个传教士,四处奔走在研讨会和一些设备厂商之间,试图说服他们考虑浸润式技术。

有一个案例,他说了多遍。2002年,他受邀参加一场国际光电学会技术研讨会,讨论157纳米光源。但林本坚发言时一直在说193纳米,当他提出193纳米光源,经过以水为介质折射之后,进入光阻的波长能够缩小到134纳米时,语惊四座。然后会上大家就没有再谈157纳米,都在提193纳米。

许多学术研究的思路都是不计时间和成本去攻克最难的技术,但这一点,在产业化的实践中并不现实。在当时各大厂商纷纷投入研发157纳米波长的光刻技术时,林本坚却调转船头。当你发现一项研究在投入大量资金和时间之后未有进展,这时候需要做的是停下来,另辟蹊径。林本坚说。

摩尔定律的终结?

而今天,摩尔定律似乎又走到了新的关口。

摩尔定律衍生出来的行业逻辑是:新一代芯片的效能比上一代更强、价格变便宜、电路也比原来更多,芯片因此就一定会有市场。我们过去是被光刻娇纵惯了,在林本坚看来,光刻技术每一代负责微缩70%,其他创新的脑筋因此而变懒。而摩尔定律是从尺寸上不断微缩,有一天达到1纳米甚至原子级别,但是微缩是有极限的。

传统依靠工艺和设计工具的进步,推动半导体行业进一步发展的方式或将不再有效,需要在经济上拓展新的可能性。这种观点似乎也正逐渐形成业界的共识,这也是此次未来科学大奖峰会上以及学术报告会上,学者们认同的观点。

由于大量的投入和高阶的技术门槛,目前16/14nm生产线的厂商只有英特尔、三星、台积电和格罗方德。先进的代工资源不断减少,一些缺少资金和市场的芯片设计企业,将陷入找不到代工资源的困境,半导体行业亟待新的创新。

在这样的背景下,清华大学微电子所所长魏少军提出,以架构创新推动半导体行业发展,在人工智能时代以架构创新的方法,采用动态可重构的计算芯片技术,应用资源复用的思想,使得硬件架构和功能可以随着软件的变化而变化,从而实现软件定义芯片,可以推动摩尔定律持续前行。

应用材料总裁兼CEO加里·迪克森表示,由于摩尔定律速度放缓,半导体行业的传统战术在功率、性能、成本上没有提供必要的改进。计算能力的本质正在发生变化。计算机和其他设备会不断变得更强大,但是不仅仅是依靠速度,而是以更加多元的方式表现。新的计算架构也是推动计算机性能提升的重要领域。对特殊芯片的需求为半导体行业提供了空前的机遇。加里·迪克森说。

如果有一天半导体走不下去了,不是因为技术上做不到,而是因为它不再经济。魏少军说。

林本坚对此看得更为现实:物理上的摩尔定律一定会终结,但经济上会继续推进。

责任编辑:向太阳
特别申明:

1、本文只代表作者个人观点,不代表本站观点,仅供大家学习参考;

2、本站属于非营利性网站,如涉及版权和名誉问题,请及时与本站联系,我们将及时做相应处理;

3、欢迎各位网友光临阅览,文明上网,依法守规,IP可查。

昆仑专题

热点排行
  • 一周
  • 一月
  • 半年
  • 建言点赞
  • 一周
  • 一月
  • 半年
  • 图片新闻

    友情链接
  • 186导航
  • 红旗文稿
  • 人大经济论坛
  • 光明网
  • 宣讲家网
  • 三沙新闻网
  • 西征网
  • 四月网
  • 法律知识大全
  • 法律法规文库
  • 最高人民法院
  • 最高人民检察院
  • 中央纪委监察部
  • 共产党新闻网
  • 新华网
  • 央视网
  • 中国政府网
  • 中国新闻网
  • 全国政协网
  • 全国社科办
  • 全国人大网
  • 中国军网
  • 中国社会科学网
  • 人民日报
  • 求是理论网
  • 人民网
  • 备案/许可证编号:京ICP备15015626号-1 昆仑策咨询服务(北京)有限公司版权所有 举报邮箱:kunlunce@yeah.net