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        “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

        三国28 www.tierrasucia.com 陈伊凡2018-11-24 10:08

        (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。

        11月19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“苦”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45nm、28nm和10nm,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65、45和32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个 28nm的SRAM 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Intel、IBM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。

        公司部记者
        关注新科技,包括人工智能、大数据、精准医疗、量子通信、科学产业化等,以及创投领域。擅长上市公司的分析报道以及行业的深度报道,发掘行业的变化趋势和投资价值。

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