中国的诺贝尔奖给了光刻技术的颠覆者

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据估计，戈登·摩尔本人并不认为53年前在电子杂志上发表的《让集成电路填充更多元件》会在未来半个世纪左右的时间里在半导体工业中发展。他在文章中预测，半导体芯片上集成晶体管和电阻的数量将每年翻一番，这一预测在后世也被称为摩尔定律。

尽管摩尔定律在过去的30年里被证明是相当有效的，但如果没有人在技术上突破，该定律可能早在此之前就已经终结了。此人是美国国家工程院院士、台湾中央研究院院士、2018年度数学与计算机科学未来科学奖唯一获奖者林本建。他曾是TSMC研发副总裁和杰出研究员。TSMC前主席张忠谋曾经说过，没有林本建，TSMC的石印就不会有现在的规模。

重写历史

70多岁的林本建个子不高，举止优雅，彬彬有礼。

11月19日，在清华大学飞腾大楼多功能厅，林本建以“将半导体元件缩小到光波长的四十分之一”为主题，介绍了他一生的光刻技术。浸没光刻几乎总是落后于流行的人工智能芯片、5g芯片和采矿芯片。根据ieee最近的统计，浸没光刻技术已经生产了世界上至少80%的晶体管。

林本建开玩笑说，他的平版印刷业是一个“孤独的行业”。这不仅与半导体工业本身的“苦”特性有关，还与光刻所需的技术门槛和研发周期有关。世界上精通浸没式光刻的工程师不超过十人，而林本建是其中的佼佼者。

如今，这个“孤独的行业”正成为半导体芯片生产中最复杂和最关键的一步。

芯片生产主要分为三个环节:集成电路设计、集成电路制造和集成电路封装测试。根据目的，制定逻辑设计和规则，根据设计图纸制作掩膜，用于后续光刻。然后将芯片的电路图从掩模转移到硅片上，实现预定的芯片功能，包括光刻、刻蚀等。最后，集成电路封装测试芯片和测试新的性能，然后完成交付。

将电路图从掩模转移到硅片的过程是半导体生产中的一个难点。光刻是解决这一难题的关键步骤之一。其工作原理是在硅片上涂覆光刻胶，在硅片上放置掩膜，让光透射，通过物镜补偿各种光学误差，缩小后在硅片上绘制电路图，光透射的光刻胶性质会发生变化，在硅片上形成一个刻有电路图。

一般来说，45纳米、28纳米和10纳米是不同的半导体技术节点，即不同的工艺。制造过程越小，芯片在单位时间内处理的信息越多，信号传输速度越快，单位面积的增加可以降低制造成本。光刻工艺水平直接决定芯片的工艺水平和性能。

在半导体工业发展的前30年，实现摩尔定律的关键是光刻机可以不断地实现更小的分辨率，可以在单位面积芯片上制造更多的晶体管，并提高芯片的集成度。

在上世纪初，全球半导体制造路径是从0.13微米，90纳米到65纳米。根据摩尔定律，157纳米光源的光刻技术应在下一步工艺中开发。然而，157纳米光源的商业化已经被推迟，摩尔定律正面临终结。

然而，林本建用“以水为介质的193 nm浸没光刻”技术改写了这一工艺。2004年，TSMC和asml共同开发了世界上第一台浸没式光刻机。随后，TSMC启动了世界上第一台193纳米“浸没光刻技术”机器，并正式进入65纳米线宽的生产。从那时起，这项技术已经成为65、45和32纳米线宽工艺的主流，推动摩尔定律向前发展了三代。

为什么是林本建

林本建语速慢，善于用比喻和故事来解释困难的技术，如“有趣的K系数”和“20735 sram单元可以放在一根头发的横截面上”。他可以从高中时的第一台相机开始，用光谈论自己的命运。

对于困难的光刻技术，林本建从光刻机最小分辨率的计算公式开始。公式中的每个系数对应于半导体生产过程中的每个关键技术，当然也包括获得高分辨率的秘密。

许多工程师一直试图通过减小分辨率来提高分辨率。具体操作无非是增大孔径、减小波长、减小过程常数和增加折射率。

第一种方法是最简单的，你只需要花钱定制更大镜头的机器。然而，结果，透镜的复杂性增加了，成本也增加了。

然而，第二种降低波长的方法需要改变光的传输介质，并且光刻胶的透明度难以提高，同时也不能达到降低成本的目的。

然而，减少波长的方法已经流行了很长时间。工程师们绞尽脑汁将波长缩短到157纳米，许多芯片制造商甚至为此投资了数十亿美元。然而，透镜所需的高质量材料和光致抗蚀剂的透明度一直无法突破，157纳米波长技术似乎陷入了死胡同。

作为第三种方法，减少过程常数似乎是完美的，但是在工程上很难改变它，并且很难仅减少0.05。用林本建的话说，这需要“不断创新”。

在可控成本和可实现技术之间，林本建找到了自己的答案:增加折射率成为最后也是唯一的选择，以水为介质的193 nm浸没光刻技术应运而生。

以前，光刻机都是干洗机，曝光和显影是在以空气体为介质的洁净室中进行的。浸没光刻技术可以使用193纳米光刻透镜和水作为介质。因为水的折射率大于1，所以进入光致抗蚀剂的波长将减少到134纳米，并且分辨率将在不减小景深的情况下得到提高。

为什么是林本建？为什么英特尔和ibm等行业巨头开创的技术没有被视为理所当然？

事实上，早在浸没式光刻技术发明之前，美国、欧洲和日本的设备工厂已经投入了大量的研发费用来开发157纳米光源的光刻技术。如果我们从193纳米光源技术中找到突破，就相当于挑战了业界的共识。

在那段时间里，林本建像传教士一样不停地做实验和分发论文，在研讨会和一些设备制造商之间跑来跑去，试图说服他们考虑沉浸式技术。

有一个案例他说了很多次。2002年，他应邀参加国际光电学会的技术研讨会，讨论157纳米光源。然而，当林本建发言时，他“总是谈到193纳米”。当他提出193纳米光源的波长被水折射后可以减少到134纳米时，他震惊了。“然后大家都没有在会上谈论157纳米，他们都提到了193纳米。”

许多学术研究思路都是为了克服最困难的技术而不计时间和成本，但这在工业化实践中是不现实的。当时，当主要制造商投资研发157纳米波长的光刻技术时，林本建扭转了局面。“当你在投入大量金钱和时间后发现一项研究没有取得进展时，你需要做的是停下来，找到另一种方法。”林本健说道。

摩尔定律的终结？

今天，摩尔定律似乎达到了一个新的水平。

源自摩尔定律的行业逻辑是，新一代芯片比以前更高效、更便宜，而且电路更多，因此芯片一定有市场。"我们曾经被平版印刷术宠坏了。"在林本建看来，每一代光刻技术都要对70%的小型化负责，这使得其他创新型大脑变得懒惰。摩尔定律的尺寸在不断缩小，有一天会达到1纳米甚至原子级，但小型化是有限度的。

传统上，依靠技术和设计工具的进步，促进半导体工业进一步发展的方式将不再有效，需要在经济上开发新的可能性。这一观点似乎正在逐渐形成业界的共识，这也是学者们在未来科学奖峰会和学术报告会上所认同的观点。

目前，16/14纳米生产线的制造商只有英特尔、三星、TSMC和格罗方德，投资巨大，技术门槛高。先进的铸造资源正在减少，一些缺乏资金和市场的芯片设计企业将陷入找不到铸造资源的困境，半导体行业迫切需要新的创新。

在此背景下，清华大学微电子研究所所长魏少军提出以建筑创新推动半导体产业发展。在人工智能时代，采用架构创新的方法，采用动态可重构计算芯片技术，应用资源复用的思想，硬件架构和功能可以随着软件的变化而变化，从而实现软件定义的芯片，不断推进摩尔定律。

应用材料公司总裁兼首席执行官加里·迪克森(Gary Dixon)表示，由于摩尔定律的速度较慢，半导体行业的传统策略无法在功率、性能和成本方面提供必要的改进。“计算能力的本质正在改变。计算机和其他设备将继续变得更加强大，但不仅仅是速度，而是更加多样化。新计算架构也是提升计算机性能的一个重要领域。对特殊芯片的需求为半导体行业before/きだよ 0提供了机遇。”加里·狄克逊说。

“如果有一天半导体不能继续发展下去，那不是因为技术上做不到，而是因为它不再经济。”魏少军说。

对此，林本建更现实一些:物理学中的摩尔定律肯定会终结，但它会在经济上继续发展。

来源：搜狐微门户