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 （圖片來源：全景視覺）

經(jīng)濟(jì)觀察報 記者 陳伊凡 估計戈登·摩爾（Gordon Moore）自己也沒有想到，53年前發(fā)表在《電子學(xué)》雜志（《Electronics Magazine》）上的《讓集成電路填滿更多的組件》，會在隨后半個多世紀(jì)左右半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。他曾在文章中預(yù)言，半導(dǎo)體芯片上的集成晶體管和電阻數(shù)量將會每年增加一倍，該預(yù)言也被后世稱為“摩爾定律”。

盡管摩爾定律在過去30年間被證明相當(dāng)有效，但如果沒有一個人在技術(shù)上的突破，該定律可能早在此之前就已終結(jié)。這個人就是美國國家工程院院士、臺灣“中央研究院”院士林本堅——2018年未來科學(xué)大獎數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)獎的唯一獲得者。他曾是臺積電的研發(fā)副總裁和杰出研究員。臺積電前董事長張忠謀曾說，如果沒有林本堅，臺積電的微影就沒有今天的規(guī)模。

改寫歷史

70多歲的林本堅，個頭不高，舉手投足間透著儒雅和禮節(jié)。

11月19日，在清華大學(xué)FIT樓的多功能廳，林本堅以“把半導(dǎo)體元件縮到光波長四十分之一”為主題，介紹了他傾其一生的光刻技術(shù)。當(dāng)下熱門的人工智能芯片、5G芯片、挖礦芯片背后，幾乎都有浸潤式光刻技術(shù)的身影。根據(jù)IEEE近期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，浸潤式微影技術(shù)制造了至少世界上80%的晶體管。

林本堅戲稱自己所在的光刻行業(yè)是一個“寂寞的行業(yè)”。這不僅與半導(dǎo)體行業(yè)本身很“苦”的特點相關(guān)，也與光刻所需的技術(shù)門檻和研發(fā)周期相關(guān)。全球精于浸潤式微影技術(shù)的工程師不超過十位，林本堅便是其中翹楚。

如今，這個“寂寞的行業(yè)”正成為左右半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)最為復(fù)雜和關(guān)鍵的步驟所在。

芯片生產(chǎn)主要分為IC設(shè)計、IC制造、IC封測三大環(huán)節(jié)。根據(jù)目的進(jìn)行邏輯設(shè)計和規(guī)則，根據(jù)設(shè)計圖制作掩模以供后續(xù)光刻使用，然后將芯片的電路圖從掩模版轉(zhuǎn)移到硅片上，實現(xiàn)預(yù)定的芯片功能，包括光刻、刻蝕等，最后IC封測對芯片進(jìn)行封裝和新能測試，再完成交付。

而將電路圖從掩模版轉(zhuǎn)移到硅片的過程，是半導(dǎo)體生產(chǎn)的難點。光刻技術(shù)是解決這一難點的關(guān)鍵步驟之一，其工作原理是在晶圓上涂上光刻膠，把掩模版放在晶圓上，讓光進(jìn)行透射，經(jīng)過物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，被光透射到的光刻膠就發(fā)生性質(zhì)變化，形成刻在硅片上的線路圖。

通常說的45nm、28nm和10nm，是半導(dǎo)體的不同技術(shù)節(jié)點，即不同制程。制程越小，單位時間內(nèi)芯片能處理的信息就越多，信號傳遞速度更快，并且單位面積的提升能夠降低制作成本。光刻的工藝水平，直接決定芯片的制程水平和性能。

在半導(dǎo)體行業(yè)最初發(fā)展的三十年中，摩爾定律基本得以實現(xiàn)的關(guān)鍵，就在于光刻機(jī)能不斷實現(xiàn)更小分辨率，能夠在單位面積芯片上制造更多的晶體管，提高芯片的集成度。

在上世紀(jì)初，全球半導(dǎo)體制造路徑從0.13微米、90納米到65納米制程，根據(jù)摩爾定律，下一個工藝制程推算應(yīng)該發(fā)展157納米光源的光刻技術(shù)，但157納米光源的商業(yè)化進(jìn)程遲遲未能落地，摩爾定律面臨終結(jié)。

然而，林本堅用“以水為介質(zhì)的193納米浸潤式微影”技術(shù)，改寫了這一進(jìn)程。2004年，臺積電和ASML共同完成開發(fā)了全球第一臺浸潤式微影機(jī)臺。隨后，臺積電啟用全世界第一臺193納米“浸潤式微影技術(shù)”機(jī)臺，正式跨入65nm線寬的生產(chǎn)。這一技術(shù)成為此后65、45和32納米線寬制程的主流，推動摩爾定律往前推進(jìn)了三代。

為什么是林本堅

林本堅語速很慢，擅長用類比和故事來解釋艱深的技術(shù)，例如“有趣的 K系數(shù)”、“20735個 28nm的SRAM Cell可以放在一根頭發(fā)的橫截面上”。他可以從自己高中第一臺照相機(jī)開始，說起自己與光的緣分。

而對于艱澀的光刻技術(shù)，林本堅就是從光刻機(jī)最小分辨率的計算公式開始講起的。公式中的每個系數(shù)，對應(yīng)著半導(dǎo)體生產(chǎn)流程中的各個關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)然也包括得出高解析度的秘密。

通過縮小分辨尺寸以增加解析度，這是一直以來許多工程師都在嘗試的辦法。具體操作無外乎增加孔徑、減少波長、減少工藝常數(shù)以及增加折射率這四個路徑。

第一種方法最為容易，只需花錢定制更大鏡頭的機(jī)器即可。但如此一來，鏡頭復(fù)雜度增加的同時，成本也隨之提升。

而降低波長的第二種方法，則需要改變光透射的媒介，且光阻的透明度也很難提高，同時也達(dá)不到降成本的目的。

但降低波長的辦法在很長一段時間里卻頗為叫座。工程師們曾絞盡腦汁在將波長縮短至157納米的方法上，許多芯片廠商為此甚至投入數(shù)十億美金。但鏡片所需要的高品質(zhì)材料以及光阻的透明度一直無法突破，157納米波長技術(shù)似乎走入死局。

減少工藝常數(shù)作為第三種方法看似完美，但真正在工程上做出改變卻很難，僅僅將它降低0.05就已十分艱難。用林本堅的說法，這需要“持續(xù)的創(chuàng)新”。

在成本可控和技術(shù)可實現(xiàn)之間，林本堅找到了自己的答案：增加折射率成為最后也是唯一的選擇，以水作為介質(zhì)的193納米浸潤式微影的技術(shù)應(yīng)運而生。

此前的光刻機(jī)都是干式機(jī)臺，曝光顯影都是在無塵室中，以空氣為媒介進(jìn)行。浸潤式微影技術(shù)可以用193納米的光刻鏡頭，用水作為介質(zhì)，由于水的折射率大于1，進(jìn)入光阻的波長也就縮小到134納米，解析度隨之提高，并且景深不會降低。

為何會是林本堅？這一看似理所當(dāng)然的技術(shù)，為何不是被諸如Intel、IBM等行業(yè)巨擘率先突破？

其實早在浸潤式微影技術(shù)發(fā)明之前，美國、歐洲和日本的設(shè)備廠已經(jīng)投下大量研發(fā)費，用開發(fā)157納米光源的光刻技術(shù)。如果再從193納米光源的技術(shù)中找突破，相當(dāng)于挑戰(zhàn)業(yè)界的共識。

那段時間，林本堅不斷做實驗、發(fā)論文，像一個傳教士，四處奔走在研討會和一些設(shè)備廠商之間，試圖說服他們考慮浸潤式技術(shù)。

有一個案例，他說了多遍。2002年，他受邀參加一場國際光電學(xué)會技術(shù)研討會，討論157納米光源。但林本堅發(fā)言時“一直在說193納米”，當(dāng)他提出193納米光源，經(jīng)過以水為介質(zhì)折射之后，進(jìn)入光阻的波長能夠縮小到134納米時，語驚四座。“然后會上大家就沒有再談157納米，都在提193納米。”

許多學(xué)術(shù)研究的思路都是不計時間和成本去攻克最難的技術(shù)，但這一點，在產(chǎn)業(yè)化的實踐中并不現(xiàn)實。在當(dāng)時各大廠商紛紛投入研發(fā)157納米波長的光刻技術(shù)時，林本堅卻調(diào)轉(zhuǎn)船頭。“當(dāng)你發(fā)現(xiàn)一項研究在投入大量資金和時間之后未有進(jìn)展，這時候需要做的是停下來，另辟蹊徑。”林本堅說。

摩爾定律的終結(jié)？

而今天，摩爾定律似乎又走到了新的關(guān)口。

摩爾定律衍生出來的行業(yè)邏輯是：新一代芯片的效能比上一代更強(qiáng)、價格變便宜、電路也比原來更多，芯片因此就一定會有市場。“我們過去是被光刻嬌縱慣了”，在林本堅看來，光刻技術(shù)每一代負(fù)責(zé)微縮70%，其他創(chuàng)新的腦筋因此而變懶。而摩爾定律是從尺寸上不斷微縮，有一天達(dá)到1納米甚至原子級別，但是微縮是有極限的。

傳統(tǒng)依靠工藝和設(shè)計工具的進(jìn)步，推動半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的方式或?qū)⒉辉儆行В枰诮?jīng)濟(jì)上拓展新的可能性。這種觀點似乎也正逐漸形成業(yè)界的共識，這也是此次未來科學(xué)大獎峰會上以及學(xué)術(shù)報告會上，學(xué)者們認(rèn)同的觀點。

由于大量的投入和高階的技術(shù)門檻，目前16/14nm生產(chǎn)線的廠商只有英特爾、三星、臺積電和格羅方德。先進(jìn)的代工資源不斷減少，一些缺少資金和市場的芯片設(shè)計企業(yè)，將陷入找不到代工資源的困境，半導(dǎo)體行業(yè)亟待新的創(chuàng)新。

在這樣的背景下，清華大學(xué)微電子所所長魏少軍提出，以架構(gòu)創(chuàng)新推動半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，在人工智能時代以架構(gòu)創(chuàng)新的方法，采用動態(tài)可重構(gòu)的計算芯片技術(shù)，應(yīng)用資源復(fù)用的思想，使得硬件架構(gòu)和功能可以隨著軟件的變化而變化，從而實現(xiàn)軟件定義芯片，可以推動摩爾定律持續(xù)前行。

應(yīng)用材料總裁兼CEO加里·迪克森表示，由于摩爾定律速度放緩，半導(dǎo)體行業(yè)的傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)在功率、性能、成本上沒有提供必要的改進(jìn)。“計算能力的本質(zhì)正在發(fā)生變化。計算機(jī)和其他設(shè)備會不斷變得更強(qiáng)大，但是不僅僅是依靠速度，而是以更加多元的方式表現(xiàn)。新的計算架構(gòu)也是推動計算機(jī)性能提升的重要領(lǐng)域。對特殊芯片的需求為半導(dǎo)體行業(yè)提供了空前的機(jī)遇。”加里·迪克森說。

“如果有一天半導(dǎo)體走不下去了，不是因為技術(shù)上做不到，而是因為它不再經(jīng)濟(jì)。”魏少軍說。

林本堅對此看得更為現(xiàn)實：物理上的摩爾定律一定會終結(jié)，但經(jīng)濟(jì)上會繼續(xù)推進(jìn)。