半導(dǎo)體設(shè)備電鏡搬運(yùn)裝卸移位的亞瑟報(bào)道：中國(guó)臺(tái)灣清華大學(xué)與臺(tái)積電、力積電等10家精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍半導(dǎo)體企業(yè)合作的半導(dǎo)體研究學(xué)院，將于今年8月成立，該半導(dǎo)體學(xué)院請(qǐng)來(lái)了憑借浸潤(rùn)式光刻技術(shù)改寫(xiě)精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍半導(dǎo)體發(fā)展史的中研院院士林本堅(jiān)。目前，林本堅(jiān)是清華半導(dǎo)體學(xué)院籌備處主任，未來(lái)將成為首任半導(dǎo)體學(xué)院院長(zhǎng)。林本堅(jiān)曾在美國(guó)IBM研究中心，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出許多精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍技術(shù)。后在臺(tái)積電力邀下回到臺(tái)灣地區(qū)，開(kāi)始推動(dòng)對(duì)精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及臺(tái)積電浸潤(rùn)式光刻技術(shù)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從130nm、做到90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16nm，和10nm，并開(kāi)始研發(fā)7nm、和5nm。他從臺(tái)積電卸任后，投入到了培育半導(dǎo)體人才的工作中，自2016年起擔(dān)任臺(tái)灣地區(qū)清華大學(xué)特聘講座教授。1980年代，林本堅(jiān)在IBM工作期間，公司內(nèi)部產(chǎn)生了光刻路線之爭(zhēng)，當(dāng)時(shí)，光刻技術(shù)的攻關(guān)進(jìn)程決定了芯片特征尺寸的大小，是推進(jìn)芯片性能迭代、建造強(qiáng)大計(jì)算和通信設(shè)備的關(guān)鍵。除了林本堅(jiān)，幾乎整個(gè)業(yè)界都在全力攻關(guān)X光光刻技術(shù)。林本堅(jiān)仔細(xì)研究過(guò)X光光刻，不僅光源不好解決、操作難度大，而且很快會(huì)觸達(dá)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(dāng)時(shí)，林本堅(jiān)的紫外線光刻方案沒(méi)有得到公司和老板的支持，也就沒(méi)有資金可用，他只能孤獨(dú)一人進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究。林本堅(jiān)在IBM工作了22年，在50歲時(shí)選擇提前退休。當(dāng)時(shí)，他已經(jīng)10度獲得美國(guó)IBM后來(lái)，林本堅(jiān)加入了臺(tái)積電。精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)，摩爾定律一直在發(fā)揮作用，但到了2002年，當(dāng)芯片制程縮小至65nm時(shí)，這個(gè)定律不靈了。當(dāng)時(shí)，幾乎所有人都寄希望于157nm波長(zhǎng)光刻、以空氣為介質(zhì)的“干式”光刻技術(shù)的突破上，頭部廠商為此投入數(shù)十億美元，但毫無(wú)進(jìn)展。2002年，林本堅(jiān)提出了一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，即利用水做介質(zhì)的浸潤(rùn)式光刻。這項(xiàng)技術(shù)不僅比傳統(tǒng)工藝造價(jià)低廉、操作簡(jiǎn)便，而且芯片解析度比157nm干式技術(shù)提高了兩倍。當(dāng)時(shí)，林本堅(jiān)在臺(tái)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(shù)上投入巨資的半導(dǎo)體設(shè)備廠，對(duì)林本堅(jiān)很不友好，而臺(tái)積電對(duì)他這一技術(shù)構(gòu)想鼎力支持。為了爭(zhēng)取那些半導(dǎo)體設(shè)備廠商，林本堅(jiān)親自跑遍美國(guó)、日本、德國(guó)、荷蘭等地，逐一拜會(huì)沒(méi)想到，一上來(lái)就遭遇一家美國(guó)大廠當(dāng)頭棒喝：我們絕不會(huì)用你的科技經(jīng)過(guò)反復(fù)拜會(huì)，光刻機(jī)制造商ASML、尼康等終折服于林本堅(jiān)的執(zhí)著和技術(shù)功力和想象力，技術(shù)發(fā)展路線紛紛轉(zhuǎn)向。2003年，ASML展示了用浸潤(rùn)式曝光機(jī)做出的成像。不久后，浸潤(rùn)式光刻技術(shù)正式量產(chǎn)。從量產(chǎn)45nm芯片開(kāi)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(rùn)式光刻技術(shù)制造。離開(kāi)IBM多年后，當(dāng)林本堅(jiān)在臺(tái)積電研發(fā)130nm光刻芯片，每小時(shí)已經(jīng)可以做出100多片時(shí)，IBM還在用X光做250nm制程工藝，因?yàn)榧夹g(shù)滯后且無(wú)法量產(chǎn)，不得不放棄。精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，今天世界上每年超82%的芯片由浸潤(rùn)式光刻技術(shù)生產(chǎn)，從2002到2019年，林本堅(jiān)以兩年一迭代的速度，將摩爾定律向前推進(jìn)了7代。這么牛的浸潤(rùn)式光刻技術(shù)，到底是何方神圣呢？下面具體介紹一下。當(dāng)人類(lèi)剛發(fā)明出集成電路的時(shí)候，當(dāng)時(shí)的特征尺寸大概是5μm（5000nm），之后縮小到了3μm，發(fā)展至今，臺(tái)積電已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)5nm芯片了。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，制程共經(jīng)歷了21代變革，未來(lái)幾年，3nm集成電路也將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。從5μm到5nm，實(shí)現(xiàn)了1000倍的變化，大概經(jīng)歷了40年。在這一過(guò)程當(dāng)中，有一件比較神奇的事情，5μm階段，當(dāng)時(shí)的波長(zhǎng)是436nm，而到7nm，波長(zhǎng)是193nm，變化并不是特別大，這樣，從光學(xué)的角度看，我們要實(shí)現(xiàn)將特征尺寸縮到波長(zhǎng)的四十分之一，似乎是不可能完成的任務(wù)，我們需要跳出純光學(xué)思維，從半導(dǎo)體的角度去考慮如何實(shí)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(gè)這個(gè)樣的SRAM單元，隨著微縮技術(shù)的發(fā)展，在直徑為80μm的橫截面上，可以容納越來(lái)越多的SRAM單元了。這主要是由光刻工藝及其技術(shù)演進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍光刻微縮的理論基礎(chǔ)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(gè)因數(shù)決定，分別是波長(zhǎng)λ、鏡頭角度的正弦值sinθ，以及k1，其中，對(duì)于做光刻的人來(lái)說(shuō)，k1這個(gè)參數(shù)是非常重要的。縮短波長(zhǎng)和加大sinθ都可以提升分辨率，但這些都是有代價(jià)的，縮短波長(zhǎng)λ、增加sinθ，DOF都會(huì)縮短，而k3和k1又是有關(guān)聯(lián)的，且比較復(fù)雜。對(duì)于采用不同設(shè)備制造相同制程IC的制造廠來(lái)說(shuō)，其技術(shù)水平差異就會(huì)很突出，例如，有的廠商用EUV設(shè)備（光刻波長(zhǎng)為13.5nm）才能做7nm芯片，而有的廠商用DUV設(shè)備（光刻波長(zhǎng)為193nm）就可以做出7nm芯片，做同樣的產(chǎn)品，前者需要更多的投資去購(gòu)買(mǎi)更新近的設(shè)備，而后者則不需要。這就是通過(guò)高水平工藝提升分辨率W所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)方程式，有4種方法可以提升分辨率W，而對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，其中方便的方法莫過(guò)于增加sinθ了，對(duì)于半導(dǎo)體廠的工程師來(lái)說(shuō)，只要向老板多申請(qǐng)一些經(jīng)費(fèi)，訂購(gòu)大一點(diǎn)的鏡頭和機(jī)器就好了，因此，工程師會(huì)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(lái)越貴，此外，目前sinθ已經(jīng)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(guò)改變波長(zhǎng)λ來(lái)進(jìn)一步提升光刻的分辨率。減小k1也是一種方法。k1是一個(gè)系數(shù)，在顯微鏡應(yīng)用當(dāng)中，k1只能降到0.61，再小的話，東西就會(huì)模糊，看不清楚了，而在光刻領(lǐng)域，則不存在這個(gè)問(wèn)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(guò)改變k1，可以不用更換鏡片，不用改變波長(zhǎng)和光阻，就可以提升分辨率，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，DOF還有可能會(huì)增加。減小k1有這么多的好處，但其實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。還有一種方法是增大n。n是折射率，通過(guò)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(rùn)式系統(tǒng)，通過(guò)增大n，可以得到短波長(zhǎng)的效果。當(dāng)NA大于1的時(shí)候，特別是1.35NA時(shí)，需要放入具有特別構(gòu)造的鏡片，由于涉及到商業(yè)機(jī)密，下圖中沒(méi)有給出1.35NA的示意圖，目前有兩家公司可以做到這一點(diǎn)，他們采用不同的方法實(shí)現(xiàn)。浸潤(rùn)式的原理，利用光通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)會(huì)彎折的特性，顯微鏡的影像透過(guò)浸濕的鏡頭會(huì)進(jìn)一步放大。相反地，當(dāng)光線通過(guò)浸在液體中的微縮影鏡頭時(shí)，就能將影像藉由折射率進(jìn)一步縮小。這里用水作為介質(zhì)否則就需要花幾億美金去研發(fā)新的、介質(zhì)，這樣太耗費(fèi)資金和時(shí)間，而且不能保證成功，算起來(lái)是劃不來(lái)的。精‌密‍設(shè)‌備‍搬‌運(yùn)‍作為浸潤(rùn)式光刻技術(shù)的發(fā)明人，林本堅(jiān)對(duì)于產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平提升和經(jīng)濟(jì)效益做出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著EUV的普及，更多的技術(shù)還會(huì)誕生，將繼續(xù)把半導(dǎo)體光刻發(fā)揚(yáng)光大。