台海观澜|台积电是怎样炼成的(五)

王义伟2020-10-23 11:37

王义伟/文 敬请读者朋友留意,本篇主要分析芯片制造技术的进展,相对而言要专业一些,笔者尽可能做到简单明了、深入浅出。

一枚芯片是如何制造出来的呢?

简而言之,芯片的母体是硅晶片(也称晶圆),形状类似于一张光盘,在这张圆形的晶圆上制作出一枚枚方形(长方形或者正方形)的芯片。这有点类似于我们在照相馆拍证件照,一张感光纸上能印出9张或更多照片。

制造芯片的主要设备是光刻机和蚀刻机,其中光刻机是利用照相原理在晶圆上画出电路图,蚀刻机则是将这些电路图刻出来并进行加工,然后经过测试、将合格的产品切割下来进行封装(封测),就可以出厂了。这些设备中,光刻机是最重要的,因此光刻机也就成了全套芯片制造设备的代名词。

对于单个的芯片而言,在面积固定的情况下,电路越多、越密集,则芯片的功能越强大。举个例子,我们用的手机,块头一直没有多大变化,但功能越来越强大,这就是芯片中的电路不断密集的结果。现在最高级的芯片,其电路密集的程度已经达到7纳米,也就是一根头发的万分之一。而台积电的制造工艺,很快就要达到5纳米甚至3纳米。

对于一块晶圆而言,晶圆的面积越大,单块晶圆所能制造出的芯片也就越多,所以芯片厂都希望用大块的晶圆生产芯片,这就是我们常常接触的概念,8寸晶圆厂,或者12寸晶圆厂。过去几十年,台湾当局在审核台湾芯片厂商到大陆投资时,是严格控制晶圆厂的尺寸的。2002年,陈水扁当局勉强开放台湾8寸晶圆厂到大陆投资。2016年2月,赶在蔡英文5月20日就任之前,马英九当局批准台积电到南京投资设立12寸晶圆厂。

台积电之所以遥遥领先其他芯片制造厂,原因就在于它在光刻机领域作出了突破性的贡献。

这里面的关键人物是林本坚。

林本坚祖籍广东潮汕,1942年出生在越南,在越南西贡长大。1959年,林本坚独自一人到台湾读高中,之后考入台湾大学。大学毕业后林本坚赴美留学,并于1970年获得美国俄亥俄州立大学电机工程学博士学位。1970年至1992年,林本坚在IBM工作。1992年至2000年,林本坚在美国创业。2000年,林本坚返回台湾加入台积电。

在IBM期间,林本坚就是光刻技术领域的奇才。1975年,工作仅5年的林本坚做出当时光刻领域最短波长的光线,他自己把它命名为深紫外线(DEEP Ultra-Violet,简称DUV)。后来,DUV成为光刻显影技术的主流。

现在中国芯片厂商求之不得的设备EUV(极紫外线)光刻机,就是在DUV技术基础上发展出来的。

发明这项顶尖技术的,还是林本坚。

在做出DUV光线11年之后,1986年,林本坚意识到,原来的微影技术已经走到了尽头,很难再发展了。

这个时候微影技术所能触及的最短的波长,是157纳米。全世界的顶级光学专家,都面对着157纳米这样一堵高墙,再也无法前进一步。

在无法前进之际,林本坚开始进行反向思维。既然157纳米无法突破,还不如退回到193纳米,然后在镜头和晶圆之间加入其它介质,是否就能做出更短的波长呢?

之前的技术,就是镜头面对晶圆,通过拍照画出电路图,镜头和晶圆中间什么都没有。

林本坚的设想,是在镜头和晶圆中间加入一层水。

这个设想的原理其实很简单。举例说明,我们把筷子放进水中,筷子看起来就折弯了、变粗了。之所以出现这种景象,是因为水改变了波长。

而根据林本坚的设想,193纳米的波长,经过水的折射后,就变成了134纳米。

林本坚将这种方法称为浸润式微影技术(Immersion Lithography),之前的技术称为干式微影技术。

林本坚1986年发现浸润式微影技术后,继续进行研究,完善技术方案。在这个过程中,2000年,林本坚离开美国来到台湾,加盟台积电。

2002年,在比利时召开的一个光电学会技术研讨会上,林本坚向全球同行公开了自己的发现和设想。

这个设想一下子把来自世界各地的同行们震住了。

在林本坚发表演讲之前,本来大家的讨论焦点,是集中在157纳米干式微影技术上的。现在不得了了,林先生竟然找到了更短的、134纳米波长的光波。

突破性的进展也招致猛烈的反对。那次研讨会之后,对林本坚技术方案的反驳汹涌而来,反对方列举的理由看起来似乎也有些道理,比如利用水做介质容易污染,水中的气泡会影响曝光等等。

还有一些干扰的背后是来自资本的力量,因为在157纳米这个层级,国际级的大厂已经投入了巨额的研发经费,林本坚的发明,意味着这些研发前功尽弃。有业内高层为此向台积电施压,要求台积电管管林本坚,让他收敛点,“不要搅局。”

张忠谋是何等人物?!面对林本坚这样的奇才,面对这样一个在技术上一枝独秀、一骑绝尘的机会,他怎么会摁住林本坚不让他发挥呢?!

张忠谋给予林本坚的,是坚决的支持。

针对质疑方提出的技术问题,林本坚和他的团队一一进行研究攻关,在半年内发表了3篇学术论文进行回应。

同时,林本坚带着自己日渐成熟的技术方案,到美国、日本、荷兰、德国,与相关技术厂商进行深入的沟通。

绝大多数厂商对林本坚的技术方案将信将疑,其中一个美国的大厂代表表示,他们绝对不会用这项技术。

只有荷兰的ASMI(阿斯麦尔)公司认为林本坚的技术方案是可行的,代表了光刻机未来的发展方向。

于是双方展开了合作。(未完待续)

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经济观察报海外部主任,台海问题专家,长期关注民营经济、国际经贸和反倾销,对宏观经济也有深入观察。