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做成那不可能之梦:低调华人科学家颠覆技术 影响人类

实验室资讯网时间:2018-11-17 点击: 百度搜索

【导读】本周末,2018年未来科学大奖颁奖典礼举行,其中数学与计算机科学奖授予了光学专家林本坚博士(谁是林本坚?),表彰他开拓了浸润式微影系统方法,持续拓展纳米级集成电路制造。他是IEEE(国际电气与电子工程师协会) Fellow、SPIE(国际光学工程学会) Fellow、美国国家工程院院士、台湾“中央研究院......
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做成那不可能之梦:低调华人科学家颠覆技术 影响人类

导语

本周末,2018年未来科学大奖颁奖典礼举行,其中数学与计算机科学奖授予了光学专家林本坚博士(谁是林本坚?),表彰他开拓了浸润式微影系统方法,持续拓展纳米级集成电路制造。他是IEEE(国际电气与电子工程师协会) Fellow、SPIE(国际光学工程学会) Fellow、美国国家工程院院士、台湾“中央研究院”院士,也获得了包括IEEE Cledo Brunetti Award在内的多个奖项。

从45纳米开始成为半导体生产的主流技术,到今天的7纳米,他开创的“浸润式”不仅让台积电跳跃成为业界领袖,而且推进摩尔定律达6个世代,对世界半导体产业影响深远。前不久,《知识分子》专程飞赴台湾新竹清华大学,拜访了林本坚博士,聊科研、聊创新、聊教育——他“用心则乐”的人生态度,给予我们很多的启发

做不可能之梦

2002年初,在一个技术研讨会上,面对几千名听众,林本坚提了一个“疯狂”的想法。

他的想法涉及芯片制造的关键环节——光刻,简单说,是用光将绘满成百上千万器件的芯片设计图案,缩放到指甲盖大小的硅晶表面,类似于照相机造影成像,只不过清晰度要达到纳米级(毫米的百万分之一)。

你可能听说过摩尔定律。这个“定律”预言,约两年,芯片上的晶体管个数就会翻倍。在过去的半个多世纪,无数科学家、工程师想尽各样办法,延续其“正确”性。

当然,过程并非一帆风顺。2002年这一年,在把尺寸缩小至65纳米之后,业界再次“卡壳”。

这是一个需要英雄,也产生了英雄的一年。林本坚“复活”了他15年前,早在IBM时提出的一个想法,叫“浸润式微影”——在镜头和硅片之间加入水,就能显著地提高清晰度。

分析了当下主研的157纳米光以及极紫外光之后,他认为那些都遥不可及,而浸润式研发成功的希望极高,具体来说是用193纳米的光加水,不仅可以跨越157纳米的技术障碍,还能增进一个世代,且更容易开发。一时间业界轰动!

这是他大放异彩的一年,但也是几家光刻机巨头难熬的一年。之前,大家把所有的精力和时间都集中在用157纳米光的技术路径上,研发费用全世界已经超过十亿美元。现在,忽然一个人站出来说,你们错了。

显然,改正错误很难。国际公司的高官试图通过林本坚的上司“施压”,叫他不要“搅局”。好在台积电的高层并没有这么做。

在接下来的一年多,风尘仆仆的林本坚,如执着的传教士,奔赴荷、德、美、日各地,说服同行和商业伙伴改用浸润式。2003年10月,世界最大的光刻机制造商荷兰ASML公司给林本坚展示了刚刚赶制出来的第一片用浸润式曝光机做出来的成像。接着,台积电和ASML公司合作,经过持续的努力,将这一技术体系完善至量产水准。

从量产的第一代45纳米开始,40纳米、32纳米、28纳米、20纳米、16纳米、14纳米、10纳米、7纳米都靠浸润式技术生产。目前,绝大多数的芯片都是采用浸润式技术生产的。

改正那不可改的错

林本坚重新提出并点亮了他15年前的想法,造成芯片制造的大转弯,至今引领技术潮流。其实,他坚韧执拗的本性,在IBM时就已有体现。

那时,IBM有很多人在研究X光微影,而林本坚属于“少数派”——他带领一个小组研发深紫外光微影。林本坚多次提出X光不可量产的原因,包括上司主管在内很多人都听不进去。

一次老板开月会,左手边坐了很多人,而右手边坐着林本坚一人,这位主管开玩笑地说,“你看,紫外线多孤单!”林本坚眼光扫了下四周,回答道:“我选择最有成长空间的位置”。

IBM有不少物理学家,他们建议用电子储藏环做X光光源,并在Brookhaven建了一个出光口。建成当日,众人聚会庆祝,老板给每个人发了一件T恤,上面印着“X光可用”(X ray works)。当然,林本坚也从洋洋得意的老板那里领到了这样一件T恤。回到办公室,林本坚拿出笔和纸,加贴了几个字,变成“X光可用,给牙医用”(X ray works - for the dentists),并用磁铁固定住,挂在文件柜上,经过的人人可见。

事实证明,他是掌握真理的少数派。

上个世纪的80年代,一次偶然的机会,林本坚看到了一幕剧,名叫《梦幻骑士》,描写了唐吉柯德的故事。里面的一首曲子,曲名叫“去做那不可能之梦”(To dream the impossible dream)。他听后十分喜爱,费了很大力气把歌词背下来,一直吟唱至今。林本坚告诉我,这首曲子和他的个性有点吻合——

做不可能之梦,

战不能败之敌,

忍不可忍之悲,

赴勇者惧之阵;

正那正不了的错,

追求遥远真纯的爱,

双手疲累时继续努力,

要够那够不着的星星!

追随那星是我的渴望,

无论多渺茫,不管多遥远,

为正义而战,无须存疑或顾虑,

为成全天意,愿进军地狱。

深知我若对这荣耀的渴望忠心,

长眠时我的心必祥和宁静。

世界必要变得更好,

因为有人被嘲笑,布满创伤,

仍然用他仅存的勇气,

去够那够不着的星星!

“我想我有点堂吉诃德的个性。” 他说。

面对面:对话林本坚

《知识分子》:说起来,你第一次提出“浸润式”是15年前的1987年,在IBM的时候?

林本坚:是的。我进IBM研究中心的时候,量产的是5000纳米的技术,我可以给大家做出500纳米,超前10倍。当然不是量产,我们的研发要领先生产两三代。1987年在研讨会上,我的论文比较全面性的,讲将来一步步下去,光学微影会遇到什么困难,用什么办法去解决。根据我所知道的光学上的可能去想,提出当所有方法都用不出来之后,还有一招浸润式。

《知识分子》:为什么2002年再次提出这一想法?

林本坚:2000年我进到台积电的时候,是在做130纳米的研发。那个时候迈进每一代都很难,需要突破一些东西。当然,机器可以买新的、贵一点的、镜头比较大一点、波长短一点,但很多时候大家都是一样的机器,竞争体现在哪里呢?就是我不买新的机器,用旧的机器就可以做出下一代,省了很多钱,那这是大家竞争功力的展现。

这样一代代下去,我们就想不同的方法让原来的机器可以多做一点,做远一点。用干的(镜头和晶片之间是空气),加上很多不同的方法,可以从130纳米做到65纳米,还可以再努力做到55纳米。但到了45纳米,用干的是绝对不可能做出来了。

2002年初,在一个两三千人参加的会上,我说,65纳米我们知道该怎么做,但再下去怎么办?我就提出几个可能,其中有一个是浸润式,但是我没有具体说到用水,也没有说到用193纳米的光。

《知识分子》:你的论文说,在这期间,MIT林肯实验室的两位研究员(M. Switkes 和 M. Rothschild)在大家都关注的157纳米波长光透过液体成像方面做了很多研究,也测了193纳米波长的光在水中的折射率,得到1.46。他们为什么却没有意识到用这样的方法去做光刻?

林本坚:那个时候大家都有一个成见——用157纳米的光找对应的液体,因为大家都在想如果可以,直接就跳到157纳米了,何必用193纳米的光呢?但是他们找的这些液体粘性很大,不适合,因为镜头下面的晶面是动的,一小时要照250片,动得很快,这些液体的粘性大,摩擦力大,很难让晶面在里面去动。而且有些液体是污染或浸蚀镜头与晶面的,有些很难洗净,有些不太透光,学者们找了大量液体,做了一大堆,都不合适。

《知识分子》:当时你看到1.46折射率这个数值,就很有感觉?

林本坚:是。157纳米波长的光是无法通过水的。但我算了一下,193纳米光在水里折射之后,波长变成132纳米,比大家研究的157纳米还要短,可以把解析度提高46%。这就有意思了,本来想要把157纳米的光做完再想下一步,现在已经可以跳过它了。

《知识分子》:随后,你在研讨会上宣布了用193纳米的光,加上水去做?

林本坚:那个是9月份,那些专门研究发展157纳米的人开了一个研讨会,我被请去讲浸润式。他们想,我应该是讲157纳米波长下的浸润式,看看林本坚有什么招数。我就说,你们根本就是浪费时间,应该是用193纳米的光跟水,比用157纳米的光还要前进一个世代。

《知识分子》:但其实业界很多人还是不相信你的方案?

林本坚:后来公司里面的高层和我讲,那个时候刚提出来,他们都觉得我冲得太猛,怎么可能?水也是有很多问题的,比如说水是很好的清洁剂,放到晶片上,等于把镜头和别的地方杂七杂八的脏东西都洗出来重新放到晶片上;水又会起气泡;光照过来,有明有暗,导致加热不一样,折射率少个零点零几,成像就没那么好,因为现在都是纳米级的。但这些后来都克服掉了。我自己还发明了一个曝光机,能保持水的干净,能让它永远恒温,不起泡,虽然后来他们没有用,但至少表示有方法,可以想方法出来。

《知识分子》:为什么一定要去劝说业界接受你的想法?

林本坚:台积电是一个做晶片的公司,我们不做设备,必须要有机台的供应商,世界上只有三个供应商,所以这些人必须被说服。三个供应商有一个已经退出了,觉得157纳米很难,对65纳米制程也没太大兴趣,觉得别的地方可以有很多钱赚,就不在摩尔定律那边去推了。另外两家还在跟着摩尔定律做。他们在157纳米上花了不少钱,研究怎么样设计157纳米的机台,专门去发展157纳米的镜片材料等等,做很多事情。我也得说服他们,因为他们已经投资了很多钱进去了。

另外,我要说服其他的芯片制造公司让他们觉得这是对的路,也很愿意走这条路。两方面都要买浸润式的机台。因为只有台积电一家的话,即使台积电生产的晶片相当多,市场的规模还是不够推动这两家机台供应商。

《知识分子》:你觉得他们最终转变的关键点在什么地方?

林本坚:我想最要紧的事就是照原来的方法做不出来,因为157纳米的技术已经开始研发好几年了,有几个瓶颈没有办法突破。虽然没有办法突破,他们还是继续花钱,而且花了不少钱。我就说,你应该止血了。他说,我已经花了这么多钱了,你让我这些钱泡汤?我说不是的,你花这么多钱,现在仍然在花,还不赶紧止血,转到能做到的东西?后来他们也同意了。

《知识分子》:浸润式的发展到后来是怎样的?

林本坚:28纳米的机台与45纳米的机台比,镜头有点改进,只靠镜头不够,我们要加点技术进去,把它做到28纳米。到了28纳米假使不再做任何事情,即使是浸润式也会停在那里,顶多可以勉强到26纳米。那个时候我们就用双层的成像,就是把电路拆成两个光罩,因为本来是排的很密的,印不出来了,已经到了极限。但是拆成两个光罩之后,电路的间距就大了,可以成像。把蚀刻后的两层电路叠起来,就达到了目的。代价是什么?就是要经过机器两次,而每一次都是要花钱的,机器的折旧、机器上花的时间等等,都得花钱。所以用成本来换精度,解析度。

我们这样做下去,做了两层的、三层的。因为那个时候大家说,13.5纳米的EUV(Extreme Ultraviolet Lithography),在100纳米的时候就要出来了,但是没有出来;90纳米我们用248和193纳米的光来做。一直做到65、55纳米,可EUV每一代都不出来,我们必须想办法。后来变成浸润式,EUV还是没有出来,我们一直做,做到现在是7纳米,也可以用193浸润式来做。

现在倒也可以用EUV来做。EUV算是可以比较稳定地来曝光,只要曝一次,但是成本很高,曝一次跟浸润式曝三次的成本差不多。浸润式机台大概6000万美金,一小时可以曝250片-270片,EUV的机台现在可能每小时只能曝100片-120片,可是机台超过1亿美金。但是浸润式再下去的话拆5次、6次,有点疯狂,除了价钱增加之外,对齐总是会到影响的。

《知识分子》:在技术上考虑这么多因素,你是依靠什么作出判断的?

林本坚:有两个,一是要有光学的背景,光学要很清楚。二是经验。我刚才讲5000纳米,从5000纳米一直到5纳米,缩小1000倍,这中间,机台变过,光阻变过,好多东西都变过,我累积这些经验,知道什么可行,什么不可行。而且我在IBM时常常推荐下一代的机台,就要发明一些东西,要跟厂商去讲,说服他们这个好用,你们现在那个不太好用,也是很难的事情。因为自己发明的东西总认为比别人发明的东西好。

《知识分子》:你怎么理解创新?

林本坚:我想创新这个东西很少是你忽然睡觉得到一个灵感,偶然有,但是其实这种也是平时花很多时间去思考,一直思考不出来,等到放松了,睡觉的时候,潜意识里面也在思考,于是可能会灵机一动。

但是我觉得,一般来说,创新一定要考虑很多方面。有时候很容易想出一个新方法,可是好不好,有没有更好的,这个都要去推敲,去模拟,去想为什么。因为发明一个东西,你自己认为很好,但是它是不是最好的,如果不是最好的,别人发明的就把你盖住了。所以当我发明了一个东西,自己就先想办法(突)破它,找出不足,让它趋于完善,一直发明到破不动了才停止。你不破,别人会来破你的。所以很少我灵机一动就出一个很厉害的东西,多半花很多时间、功夫,前前后后、左左右右把不行的去掉,把行的慢慢越弄越好。

《知识分子》:在IBM,你在做深紫外光,其他人选X光,为什么你觉得X光不可行?

林本坚:我去推展一个科技的时候,会先把它的理论搞清楚,X光是用影子,中间没有镜头的,就是把光罩和晶片放到最接近,这样影像是最好的,离开一点就会差一点;但也不能太贴在一起,因为光罩和晶片会污染,会受损,所以应该离开一点距离,这个距离差不多是10个微米。但是10微米其实很小,是一个毫米的一百分之一,在这么小的距离内,晶圆还要动,不能碰到光罩。X光只是硬把波长缩短,缩短之后,10微米的距离可以成小一点的像,但是缩得不多。你知道原理的话,公式一代进去,解析度跟波长的开方根成正比的。所以等于很辛苦把它缩了100倍,却只能提升10倍,虽然X光波长很短,但是缩小的差别不大。那个时候我可以模拟出来,极限在哪里都知道。

《知识分子》:你是通过计算机模拟的?

林本坚:对。我知道公式,然后用计算机去模拟。我们模拟出来,用X光,大概到了250纳米就完了,除非你把光罩和晶片再贴近,可是光罩就很容易被损害。X光250纳米的极限是很快被超越的。我来台积电的时候做130纳米,IBM还有人在用X光做250纳米,过了几年,大概2004年就不做了。因为X光的光罩也是很难做的。光罩是一个厚度只有几个微米的薄膜,很薄的东西就很容易破,而且它很脆,没有气球的那个延展性,碰一下就破了。所以那个时候那些同事们去曝X光的时候,曝完了之后把机器打开的第一件事是看看光罩还在不在,有没有破掉,散布各处。

可我们已经做130纳米了,一小时可以出来100多片。我以前算出光学的极限差不多是120纳米。可是那个时候忽略了一点,有一种制程叫做CMP(Chemical Mechanical Polishing), 可以把晶面平坦化,减少对景深的负担。把这个算进去之后,55纳米都可以用光学做。

那个时候各大公司派人一起去讨论先进技术的极限,有一个团队是用深紫外线的,另一个团队用X光,还有一个团队用电子束。我们推算究竟各自能够做到的极限在哪里。X光的极限就是250纳米,电子束的极限算出来也差不多。我说深紫外线能够做到120纳米,他们都说我强辩:“我们用电子,用x光,你只用紫外线光,怎么可能超越我们?”但是我有证据,知道怎样用公式算出来。

《知识分子》:你难道没有尝试去说服这些同事吗?

林本坚:有。但是听不听是另外一回事。我记得有一次在IBM的时候,每个星期五下午是放松的时间,大家讲点有趣的事情,有一天我们的大老板请我去讲光刻究竟已经可以做到多小。我那个时候很保守,大家认为光学的极限是750纳米,以为我就上去讲750纳米,结果我上去说,我们一定能够做500纳米。讲完之后,有一个同事(这个同事后来还做了蛮大的官)说我今天听到一个很精彩的科幻小说。所以这是他们的态度,他们脑筋里面认为1000纳米是很难的,绝对过不去。

《知识分子》:在公司里面,大多数人都是一个想法,上司也是这个想法,你为什么不放弃?

林本坚:我想这个要看什么事情,有些事情要固执己见,有些事情应该转向,比如说做X光做到250纳米的时候,他们就不能够再固执下去了。所以我自己也要很小心,我要做的事情是不是可行,不行的就应该换,不应该固执下去。但是那个时候我算得很清楚,是可以做到的。

《知识分子》:你当时在博士毕业完了以后找工作,不是蓄意进IBM的。年轻人怎么选择公司,你有怎样的建议?

林本坚:你将来做的事情跟你现在做的事情不一定一样,很少会吻合的,但是你要把基本功做好,像数学、物理这些。而且,你平时要养成习惯,不要读死书。你看一些很有名的物理学家,常常会注意到周围的东西,会去想,会去解释,会有些创新的想法。牛顿也是一样,大家都看见苹果掉下来,看了几千年了,他看到后就去想为什么。所以我觉得第一要把基本功做好;第二,锻炼好奇心。将来我们去做工作的话,会碰到很多难题和挑战等等,但是你平时观察得多,看到得多,思考得多,到时解决问题会比较全面,也比较扎实。

第三,要对工作有兴趣,你要是没有兴趣,一定成就不高。假使你对现在这个工作没有兴趣,就要想办法,把兴趣建立起来。因为有些事情多做几下就有兴趣了。在你的工作里面找到兴趣,就有愿意去努力的原动力。假使怎样努力都建立不起兴趣,可能就要换一个会引起你兴趣的工作,才能做出很好的成就。

《知识分子》:我看到你生活中也喜欢开动脑筋,搞一些小发明,你是好奇,还是想弄个专利赚钱?

林本坚:我想都有。有些是基于好奇心或觉得很有趣,不甘失落,不愿意被限制,想克服,要突破那个限制。另外有些是希望我的发明被大家采用,就可以赚点钱。像我那个时候发明带洞的乒乓球拍想赚点钱,所以去申请专利,然后发现很多人发明同样的东西。后来,我发现个人发明很难赚到什么钱的,帮公司发明倒是可以,因为整个系统、整套测试都在那里,有律师,也有仪器,这是正统的。

《知识分子》:不仅是集成电路,美国其实生物和其它方面都是非常领先的,对它创新的氛围你有怎样的体会?或者你觉得它为什么能成为世界上领先的一个国家?

林本坚:每一代都不一样,美国人自己也经过很多变化,有些是好的,有些是坏的。我觉得它好的方面,第一,在美国工作的选择性很高。在台湾因为地方小,选择比较少,不管你有兴趣没有,非要念科技不可,将来做科技的工作收入也会好一点,但并不是你最喜欢做的事情,也不是你最有劲去做的事情,只是为了生活非要这样。美国的社会没有特别看中怎样的职业,它的技工也可以有很好的职涯,也可以很专业。所以出来念科学的人都是很有这方面的才能和兴趣。有些人科学很差的,他文学好,没有关系,可以朝文学去发展。选择念科学的人都是有这样的能力、有这样的兴趣。

第二,美国的课业不重。大学自己修课不谈,中学的课业不重,但是很注重课外的活动,所以他们有不同的社团;有天文社、音乐社、运动社、辩论社等。这些为他们的前途奠定了很好的基础。像辩论社的话,我那个时候不知道,没有鼓励我的孩子参加,但是我们有些朋友鼓励孩子参加,结果孩子出来就是很厉害。他脑筋动得很快,给你讲得头头是道,所以课外活动对学生很有帮助。

第三,美国人可以自由思想,而且做起事很有兴趣,因为可选择有兴趣的社团去参加,跟兴趣相同的同学互相竞争,也互相帮助。我觉得这是他们很重要的方面。另外觉得很重要的,是学校里面的道德风气,如果没有一个道德标准在那里,人很容易走入歧途,把年轻人的能量都消耗在不应该投注的地方。所以我觉得学校要做的好,就要让学生们学得有兴趣,有发挥他的想象力的空间,也有相当对的道德教育。我觉得以前在新竹念中学,对我影响很大。为什么?因为它不但注重学业,还注重体育、美育、德育,这些都并重。 

(本文来源: 邸利会(知识分子主笔) )

(责任编辑: 龙景)

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