半導體設備電鏡搬運裝卸移位的亞瑟報道：中國臺灣清華大學與臺積電、力積電等10家精‌密‍設‌備‍搬‌運‍半導體企業(yè)合作的半導體研究學院，將于今年8月成立，該半導體學院請來了憑借浸潤式光刻技術改寫精‌密‍設‌備‍搬‌運‍半導體發(fā)展史的中研院院士林本堅。目前，林本堅是清華半導體學院籌備處主任，未來將成為首任半導體學院院長。林本堅曾在美國IBM研究中心，帶領團隊創(chuàng)造出許多精‌密‍設‌備‍搬‌運‍技術。后在臺積電力邀下回到臺灣地區(qū)，開始推動對精‌密‍設‌備‍搬‌運‍半導體產業(yè)及臺積電浸潤式光刻技術，帶領團隊從130nm、做到90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16nm，和10nm，并開始研發(fā)7nm、和5nm。他從臺積電卸任后，投入到了培育半導體人才的工作中，自2016年起擔任臺灣地區(qū)清華大學特聘講座教授。1980年代，林本堅在IBM工作期間，公司內部產生了光刻路線之爭，當時，光刻技術的攻關進程決定了芯片特征尺寸的大小，是推進芯片性能迭代、建造強大計算和通信設備的關鍵。除了林本堅，幾乎整個業(yè)界都在全力攻關X光光刻技術。林本堅仔細研究過X光光刻，不僅光源不好解決、操作難度大，而且很快會觸達清晰度的極限。相較而言，紫外線光刻不僅較易操作，而且提升空間更大。當時，林本堅的紫外線光刻方案沒有得到公司和老板的支持，也就沒有資金可用，他只能孤獨一人進行相關技術的研究。林本堅在IBM工作了22年，在50歲時選擇提前退休。當時，他已經10度獲得美國IBM后來，林本堅加入了臺積電。精‌密‍設‌備‍搬‌運‍過去半個多世紀，摩爾定律一直在發(fā)揮作用，但到了2002年，當芯片制程縮小至65nm時，這個定律不靈了。當時，幾乎所有人都寄希望于157nm波長光刻、以空氣為介質的“干式”光刻技術的突破上，頭部廠商為此投入數(shù)十億美元，但毫無進展。2002年，林本堅提出了一項顛覆性技術，即利用水做介質的浸潤式光刻。這項技術不僅比傳統(tǒng)工藝造價低廉、操作簡便，而且芯片解析度比157nm干式技術提高了兩倍。當時，林本堅在臺積電工作，公司上下頂住各方壓力，特別是那些在干式光刻技術上投入巨資的半導體設備廠，對林本堅很不友好，而臺積電對他這一技術構想鼎力支持。為了爭取那些半導體設備廠商，林本堅親自跑遍美國、日本、德國、荷蘭等地，逐一拜會沒想到，一上來就遭遇一家美國大廠當頭棒喝：我們絕不會用你的科技經過反復拜會，光刻機制造商ASML、尼康等終折服于林本堅的執(zhí)著和技術功力和想象力，技術發(fā)展路線紛紛轉向。2003年，ASML展示了用浸潤式曝光機做出的成像。不久后，浸潤式光刻技術正式量產。從量產45nm芯片開始，之后的40nm、32 nm、28 nm、20 nm、16 nm、14 nm、10 nm、7 nm、5 nm芯片，都靠浸潤式光刻技術制造。離開IBM多年后，當林本堅在臺積電研發(fā)130nm光刻芯片，每小時已經可以做出100多片時，IBM還在用X光做250nm制程工藝，因為技術滯后且無法量產，不得不放棄。精‌密‍設‌備‍搬‌運‍據(jù)不完全統(tǒng)計，今天世界上每年超82%的芯片由浸潤式光刻技術生產，從2002到2019年，林本堅以兩年一迭代的速度，將摩爾定律向前推進了7代。這么牛的浸潤式光刻技術，到底是何方神圣呢？下面具體介紹一下。當人類剛發(fā)明出集成電路的時候，當時的特征尺寸大概是5μm（5000nm），之后縮小到了3μm，發(fā)展至今，臺積電已經開始量產5nm芯片了。在這個過程當中，制程共經歷了21代變革，未來幾年，3nm集成電路也將實現(xiàn)量產。從5μm到5nm，實現(xiàn)了1000倍的變化，大概經歷了40年。在這一過程當中，有一件比較神奇的事情，5μm階段，當時的波長是436nm，而到7nm，波長是193nm，變化并不是特別大，這樣，從光學的角度看，我們要實現(xiàn)將特征尺寸縮到波長的四十分之一，似乎是不可能完成的任務，我們需要跳出純光學思維，從半導體的角度去考慮如何實現(xiàn)它。人的頭發(fā)橫截面直徑大概是80μm，以采用28nm制程工藝的SRAM為例，可以在頭發(fā)的橫截面上放20735個這個樣的SRAM單元，隨著微縮技術的發(fā)展，在直徑為80μm的橫截面上，可以容納越來越多的SRAM單元了。這主要是由光刻工藝及其技術演進實現(xiàn)的。精‌密‍設‌備‍搬‌運‍光刻微縮的理論基礎主要基于下圖的方程式：分辨率和DOF（depth of focus，景深）。從圖中的公式可以看出，分辨率主要由三個因數(shù)決定，分別是波長λ、鏡頭角度的正弦值sinθ，以及k1，其中，對于做光刻的人來說，k1這個參數(shù)是非常重要的。縮短波長和加大sinθ都可以提升分辨率，但這些都是有代價的，縮短波長λ、增加sinθ，DOF都會縮短，而k3和k1又是有關聯(lián)的，且比較復雜。對于采用不同設備制造相同制程IC的制造廠來說，其技術水平差異就會很突出，例如，有的廠商用EUV設備（光刻波長為13.5nm）才能做7nm芯片，而有的廠商用DUV設備（光刻波長為193nm）就可以做出7nm芯片，做同樣的產品，前者需要更多的投資去購買更新近的設備，而后者則不需要。這就是通過高水平工藝提升分辨率W所產生的經濟效益。依據(jù)方程式，有4種方法可以提升分辨率W，而對于工程師來說，其中方便的方法莫過于增加sinθ了，對于半導體廠的工程師來說，只要向老板多申請一些經費，訂購大一點的鏡頭和機器就好了，因此，工程師會采取的方案，往往就是在sinθ上做文章。增加sinθ需要大量的投資，而且越來越貴，此外，目前sinθ已經提升到0.93，已很難再提升，而且其不可能大于1。這樣，我們可以通過改變波長λ來進一步提升光刻的分辨率。減小k1也是一種方法。k1是一個系數(shù)，在顯微鏡應用當中，k1只能降到0.61，再小的話，東西就會模糊，看不清楚了，而在光刻領域，則不存在這個問題，只需要考慮線的位置，只要能曝光就好，因此，可以把k1降低到0.07。通過改變k1，可以不用更換鏡片，不用改變波長和光阻，就可以提升分辨率，具有很好的經濟效益。此外，DOF還有可能會增加。減小k1有這么多的好處，但其實現(xiàn)起來并不容易。還有一種方法是增大n。n是折射率，通過改變n，也可以提升光刻系統(tǒng)的分辨率，方法就是在鏡頭和晶體之間加入水，以代替空氣，也就是浸潤式系統(tǒng)，通過增大n，可以得到短波長的效果。當NA大于1的時候，特別是1.35NA時，需要放入具有特別構造的鏡片，由于涉及到商業(yè)機密，下圖中沒有給出1.35NA的示意圖，目前有兩家公司可以做到這一點，他們采用不同的方法實現(xiàn)。浸潤式的原理，利用光通過液體介質時會彎折的特性，顯微鏡的影像透過浸濕的鏡頭會進一步放大。相反地，當光線通過浸在液體中的微縮影鏡頭時，就能將影像藉由折射率進一步縮小。這里用水作為介質否則就需要花幾億美金去研發(fā)新的、介質，這樣太耗費資金和時間，而且不能保證成功，算起來是劃不來的。精‌密‍設‌備‍搬‌運‍作為浸潤式光刻技術的發(fā)明人，林本堅對于產業(yè)的技術水平提升和經濟效益做出了巨大的貢獻。隨著EUV的普及，更多的技術還會誕生，將繼續(xù)把半導體光刻發(fā)揚光大。