中国的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

　　中国的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

　　陈伊凡

　　估计戈登·摩尔（GordonMoore）自己也没有想到，53年前发表在《电子学》杂志（《ElectronicsMagazine》）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SRAMCell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。

责任编辑：张国帅