中國的諾貝爾獎給了光刻技術的顛覆者
估計戈登·摩爾（GordonMoore）自己也沒有想到，53年前發表在《電子學》雜誌（《ElectronicsMagazine》）上的《讓積體電路填滿更多的元件》，會在隨後半個多世紀左右半導體行業的發展。他曾在文章中預言，半導體晶片上的整合電晶體和電阻數量將會每年增加一倍，該預言也被後世稱為“摩爾定律”。
儘管摩爾定律在過去30年間被證明相當有效，但如果沒有一個人在技術上的突破，該定律可能早在此之前就已終結。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年未來科學大獎數學與電腦科學獎的唯一獲得者。他曾是臺積電的研發副總裁和傑出研究員。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。
11月19日，在清華大學FIT樓的多功能廳，林本堅以“把半導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。當下熱門的人工智慧晶片、5G晶片、挖礦晶片背後，幾乎都有浸潤式光刻技術的身影。根據IEEE近期的資料統計，浸潤式微影技術製造了至少世界上80%的電晶體。
林本堅戲稱自己所在的光刻行業是一個“寂寞的行業”。這不僅與半導體行業本身很“苦”的特點相關，也與光刻所需的技術門檻和研發週期相關。全球精於浸潤式微影技術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”正成為左右半導體晶片生產最為複雜和關鍵的步驟所在。
晶片生產主要分為IC設計、IC製造、IC封測三大環節。根據目的進行邏輯設計和規則，根據設計圖製作掩模以供後續光刻使用，然後將晶片的電路圖從掩模版轉移到矽片上，實現預定的晶片功能，包括光刻、刻蝕等，最後IC封測對晶片進行封裝和新能測試，再完成交付。
而將電路圖從掩模版轉移到矽片的過程，是半導體生產的難點。光刻技術是解決這一難點的關鍵步驟之一，其工作原理是在晶圓上塗上光刻膠，把掩模版放在晶圓上，讓光進行透射，經過物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小後對映到矽片上，被光透射到的光刻膠就發生性質變化，形成刻在矽片上的線路圖。
通常說的45nm、28nm和10nm，是半導體的不同技術節點，即不同製程。製程越小，單位時間內晶片能處理的資訊就越多，訊號傳遞速度更快，並且單位面積的提升能夠降低製作成本。光刻的工藝水平，直接決定晶片的製程水平和效能。
在半導體行業最初發展的三十年中，摩爾定律基本得以實現的關鍵，就在於光刻機能不斷實現更小解析度，能夠在單位面積晶片上製造更多的電晶體，提高晶片的整合度。
在上世紀初，全球半導體制造路徑從0.13微米、90奈米到65納米制程，根據摩爾定律，下一個工藝製程推算應該發展157奈米光源的光刻技術，但157奈米光源的商業化程序遲遲未能落地，摩爾定律面臨終結。
然而，林本堅用“以水為介質的193奈米浸潤式微影”技術，改寫了這一程序。2004年，臺積電和ASML共同完成開發了全球第一臺浸潤式微影機臺。隨後，臺積電啟用全世界第一臺193奈米“浸潤式微影技術”機臺，正式跨入65nm線寬的生產。這一技術成為此後65、45和32奈米線寬製程的主流，推動摩爾定律往前推進了三代。
為什麼是林本堅
林本堅語速很慢，擅長用類比和故事來解釋艱深的技術，例如“有趣的 K係數”、“20735個 28nm的SRAMCell可以放在一根頭髮的橫截面上”。他可以從自己高中第一臺照相機開始，說起自己與光的緣分。
而對於艱澀的光刻技術，林本堅就是從光刻機最小解析度的計算公式開始講起的。公式中的每個係數，對應著半導體生產流程中的各個關鍵技術，當然也包括得出高解析度的祕密。
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，只需花錢定製更大鏡頭的機器即可。但如此一來，鏡頭複雜度增加的同時，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，同時也達不到降成本的目的。
但降低波長的辦法在很長一段時間裡卻頗為叫座。工程師們曾絞盡腦汁在將波長縮短至157奈米的方法上，許多晶片廠商為此甚至投入數十億美金。但鏡片所需要的高品質材料以及光阻的透明度一直無法突破，157奈米波長技術似乎走入死局。
減少工藝常數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“持續的創新”。
在成本可控和技術可實現之間，林本堅找到了自己的答案：增加折射率成為最後也是唯一的選擇，以水作為介質的193奈米浸潤式微影的技術應運而生。
此前的光刻機都是乾式機臺，曝光顯影都是在無塵室中，以空氣為媒介進行。浸潤式微影技術可以用193奈米的光刻鏡頭，用水作為介質，由於水的折射率大於1，進入光阻的波長也就縮小到134奈米，解析度隨之提高，並且景深不會降低。
為何會是林本堅？這一看似理所當然的技術，為何不是被諸如Intel、IBM等行業巨擘率先突破？
其實早在浸潤式微影技術發明之前，美國、歐洲和日本的裝置廠已經投下大量研發費，用開發157奈米光源的光刻技術。如果再從193奈米光源的技術中找突破，相當於挑戰業界的共識。
那段時間，林本堅不斷做實驗、發論文，像一個傳教士，四處奔走在研討會和一些裝置廠商之間，試圖說服他們考慮浸潤式技術。
有一個案例，他說了多遍。2002年，他受邀參加一場國際光電學會技術研討會，討論157奈米光源。但林本堅發言時“一直在說193奈米”，當他提出193奈米光源，經過以水為介質折射之後，進入光阻的波長能夠縮小到134奈米時，語驚四座。“然後會上大家就沒有再談157奈米，都在提193奈米。”
許多學術研究的思路都是不計時間和成本去攻克最難的技術，但這一點，在產業化的實踐中並不現實。在當時各大廠商紛紛投入研發157奈米波長的光刻技術時，林本堅卻調轉船頭。“當你發現一項研究在投入大量資金和時間之後未有進展，這時候需要做的是停下來，另闢蹊徑。”林本堅說。
摩爾定律的終結？
而今天，摩爾定律似乎又走到了新的關口。
摩爾定律衍生出來的行業邏輯是：新一代晶片的效能比上一代更強、價格變便宜、電路也比原來更多，晶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，光刻技術每一代負責微縮70%，其他創新的腦筋因此而變懶。而摩爾定律是從尺寸上不斷微縮，有一天達到1奈米甚至原子級別，但是微縮是有極限的。
傳統依靠工藝和設計工具的進步，推動半導體行業進一步發展的方式或將不再有效，需要在經濟上拓展新的可能性。這種觀點似乎也正逐漸形成業界的共識，這也是此次未來科學大獎峰會上以及學術報告會上，學者們認同的觀點。
由於大量的投入和高階的技術門檻，目前16/14nm生產線的廠商只有英特爾、三星、臺積電和格羅方德。先進的代工資源不斷減少，一些缺少資金和市場的晶片設計企業，將陷入找不到代工資源的困境，半導體行業亟待新的創新。
在這樣的背景下，清華大學微電子所所長魏少軍提出，以架構創新推動半導體行業發展，在人工智慧時代以架構創新的方法，採用動態可重構的計算晶片技術，應用資源複用的思想，使得硬體架構和功能可以隨著軟體的變化而變化，從而實現軟體定義晶片，可以推動摩爾定律持續前行。
應用材料總裁兼CEO加里·迪克森表示，由於摩爾定律速度放緩，半導體行業的傳統戰術在功率、效能、成本上沒有提供必要的改進。“計算能力的本質正在發生變化。計算機和其他裝置會不斷變得更強大，但是不僅僅是依靠速度，而是以更加多元的方式表現。新的計算架構也是推動計算機效能提升的重要領域。對特殊晶片的需求為半導體行業提供了空前的機遇。”加里·迪克森說。
“如果有一天半導體走不下去了，不是因為技術上做不到，而是因為它不再經濟。”魏少軍說。
林本堅對此看得更為現實：物理上的摩爾定律一定會終結，但經濟上會繼續推進。