1.林本坚博士,2018年未来科学大奖-数学与计算机科学奖获奖者,改写了半导体历史,使芯片工艺从65纳米发展到7纳米到3纳米之争。
2.他在2002年提出浸润式微影概念,利用水缩短现有193纳米光刻机的曝光波长,引领半导体工艺革命。
3.根据IEEE统计,浸润式微影技术制造了世界上至少80%的晶体管,使得摩尔定律得以持续延伸了七代。
4.林本坚坚信紫外线可做到纳米级,曾被讥为「科幻小说」,但最终被证实是正确的,使台积电超过英特尔。
5.除了半导体领域,林本坚在光学和拍照技巧方面也有浓厚兴趣,展现出强烈的好奇心和探索精神。
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前台湾新竹交通大学校长张懋中这样形容林本坚:「他一个人站在一艘航母面前叫停。」02年当ASML和台积电还在力争上游、全球半导体产业卡止步于65纳米,是他改变了芯片工艺,才有今天7纳米到3纳米之争。
文、图:除注明外均由未来科学大奖提供
整理:灼见名家 梁颖勤
林本坚博士获颁2018年未来科学大奖─数学与计算机科学奖时摄。
未来科学大奖由一群科学家和民间企业家群体联合发起,主要关注原创性的基础科学研究,本期人物是改写半导体历史的林本坚博士,2018年未来科学大奖-数学与计算机科学奖获奖者。本社(灼见名家)获授权以书摘形式转载其访谈实录,礼赞科学成就,并让社会人士藉由科学家本人视角去了解一位科学家是如何养成的,科学如何改变未来,科学精神将如何影响中国、影响世界、影响下一代。
时间拨回到2002年,荷兰光刻机巨头ASML尚未做到一家独大,台积电也才刚刚在全球十大半导体厂的门口徘徊。(编按:ASML近日交付第三代EUV光刻机,将用于生产先进制程芯片,据悉来年可生产3纳米以至2纳米芯片。)
那一年,全球半导体产业也在为如何延续摩尔定律(Moore’s law)的预言而犯难,卡在65纳米工艺上止步不前。谁能知道,突破的关键只需添加一味再普通不过的原料──水。(编按:摩尔定律指集成电路上可容纳的晶体管数目,每隔约两年便会增加一倍。由快捷半导体和英特尔联合创始人摩尔Gordon Earle Moore提出)
我在这关头提出浸润式(湿式)构想──利用水缩短现有193纳米光刻机的曝光波长。然而,当时多家大厂已经在157纳米干式设备上斥巨资,若要转向,原来的投资就会付诸东流。所以,前台湾新竹交通大学校长(现称台湾阳明交通大学)张懋中才会这样形容我:「他一个人站在一艘航母面前叫停。」
记者问我这份「虽万千人吾往矣」的自信来自何处,我说因为通过电脑模拟,清楚地了解了未来的极限在哪里。清楚,故自信;不清楚,就难有自信。万事万物,我都好奇背后的原理,搞不清楚原理就觉得难受。
2018未来科学大奖颁奖典礼红毯现场。
半导体工艺革命──由「干」变「湿」
我当时一系列突破性的创新所开拓的浸润式微影(也称光刻)方法革新了集成电路的制程,使先进半导体芯片的特征尺寸能持续缩减为细微纳米量级,在过去15年以及可预见的未来,为建造最强大的计算和通信系统做出了关键贡献。这在当年是难以想像的。
传统的干式微影自50年代起半导体工业界发明平面集成电路(港称集成电路或芯片)以来,被持续使用了40年。然而受限于基本光学衍射,在90年代后期,用该方法制造小于65纳米的芯片面临无法逾越的瓶颈。我预见干式微影技术将进入死角,建议使用浸润式或湿式微影。
虽然原始的浸润式概念在80年代曾提出过,但距离可实现的方法很远。我在IBM的时候是做紫外线光刻的。我觉得紫外光做到193纳米已经可以做很多事情了,再下去可以做到65纳米,最后一直到7纳米。可是那时候大家没有看到这一点。他们认为紫外光快要做到底了,他们就要做X射线,因为X射线波长短很多嘛,达到极限的时间要长很多。
我是不以为然的,因为看到紫外光的潜质,我觉得它将来可以做得很远。但那些大老板不一定和我一样的想法,我要花很多时间去劝服他们,让他们也搞懂这个事情,这不是很容易。现在证实了能从1000纳米做到7纳米。那时候大家对紫外光的能耐真的有些先入为主的狭窄观念。
全球逾80%晶体管采用湿式微影技术
当时的一系列发明在科学和工程上证实了湿式微影方法可用于最先进的IC(Integrated Circuit)制程。这项突破发明和持久的技术引领促使全球半导体工业界改用湿式微影方法,在过去的15年中将IC技术节点从65纳米循产业路线图持续降至7纳米,使得摩尔定律得以持续延伸了七代。根据IEEE(电气与电子工程师协会)2018年数据统计,浸润式微影技术制造了世界上至少80%的晶体管。
很多人担心摩尔定律是不是已经死了,我觉得是这样的,摩尔定律也取决于你怎么去定义它。要缩小的话有物理极限,我们会被它局限。但摩尔定律其实有一个重要的精神,就是下一代的产品比这一代的产品更便宜、更好用。这可以用很多方来达到,不一定只用缩小的方法。很不幸地,我们从1000纳米缩下来,养成一种惰性,认为每一代只要想办法去缩小就可以了。但现在这个惰性已经有点靠不住了。缩到3纳米、2纳米,还继续缩,难道要缩到像原子一样大吗?以后可能还会喊1.5纳米、1纳米。我不知道大家怎么定义这个1纳米。到了后来纳米变成一种指标,不具实际的物理意义。
(编按:自1958年前发明集成电路(集成电路或芯片)以来,半导体技术推动了人类历史上最大的工业及社会化革命。未来科学大奖选择于集成电路诞生60周年之际,将未来科学大奖─数学与计算机科学奖授予林本坚,意义深远。)
2018年未来科学大奖获奖者林本坚证书插图
当林本坚对IBM同事展望紫外线可做到纳米级时的科学构思时,当场被人讥为「科幻小说」,不可能发生。
坚信紫外线可做到纳米级,被讥为「科幻小说」
我在台大毕业后赴美深造,在美生活工作了38年,最后在2000年来到台积电担任资深处长,数年后升为研发副总经理。我受新竹中学校长的影响颇深,是个对社会有抱负的「竹中人」,为使自己的研究更有实际作用,读完博士便离开象牙塔,决意去产业界工作。在IBM公司,我最早用电脑类比成像。当所有人相信波长更短的X光是光刻的未来时,我独自坚持紫外线可以一直做到纳米级,曾被一个很厉害的学物理的同事评论为”I heard a very good sciencefiction”(我听到了一个十分好的科幻小说)。
到了台积电,他在张忠谋和蒋尚义的力挺下开始推浸润式工艺。也有人质疑道,若是浸润式这么好,为什么英特尔不做。随着浸润式紫外光刻机在ASML和台积电的合作下诞生,全球半导体产业格局也随之改写。这本「科幻小说」,最终还是被改写到了7纳米。
「我就觉得很滑稽,因为这就是我们超过英特尔的机会。你要英特尔做了才做,就永远不能超过英特尔。」
──林本坚
中一时代(下)跟大三(上)。
童年在越南长大
我祖籍广东,父母都是潮汕人,求学香港,抗战期间在母亲肚子里跟着父母去了越南。高三转到台湾念高中。我童年在香港读书。我的婶祖母在越南经商,抗战期间越南比较安全,所以1941年我还未出生就被带去越南。
我们住在西贡附近一个很大的华人城。那里有50至60万华侨。那时候,西贡是越南首都,像一个小巴黎一样。华人的经济地位还不错。我父亲很会念书,从小到大成绩都很好,但是他不是一个书生。他经商过一阵子,也在美国公司做过事。他最成功的事情是开了个英文中学,做了校长。因为他在香港念过书,英文文法特别好。
父亲是一个很严谨的人,精力很充沛,他一天不需要睡太久,就可以做很多事情。他凡事都求进步,帮我父亲印讲义也这样,力图下次印得更好。我从他的态度中学到,怎么样在进步中得到快乐。
我母亲也是一位很聪明的女性,高中学历,在那个时候已经算了不起了。她不认输,什么事情都去做。只是越南那个时候不鼓励太太出去做事。我母亲像孟母那样为我择校而居。她听说哪个学校好,就会把我转过去。我起码读过三个小学。
因为是华人学校,我们的课本都是从国内带过来的。我们学的地理历史都是中国的地理历史,不是越南的地理历史。但是到我念高中的时候,越南政府不准华校办高中。华校转变为补习学校,上课也就没有那么全面了,体育没有了,历史地理也没有了。
曾梦想当飞行员
我在不同的阶段有不同的梦想。最开始的梦想是做一个飞行员,因为那时候第二次世界大战,我觉得飞行员把眼镜放在帽子上面好帅。后来的梦想是得诺贝尔奖。
我很享受拉小提琴,但是进入音乐界闯出名气不是很容易的事。我的小妹妹是音乐家,专长钢琴,大儿子在州立交响乐团坐大提琴的第一把交椅,小女儿拿到茱丽叶学院的钢琴博士。我很喜欢,但我没有这个才能。我刚刚讲我的耳朵很好,但是要想变成一个很厉害的小提琴家就相差太远了。
我不晓得小时候有没有过做科学家的志向,但是我有很多好奇心,要满足我的好奇心,就得思考很多事情背后的原理,后来就变成科学家了。
现在回想起来,我小时候在数学上应该是最好的,因为我从来不温习数学,随时可以应考。而且学到的都懂,也都记得。数学是科学之母,化学我也很喜欢。那我什么时候开始接触光学呢?实际上是有一次偶然得到一个放大镜,我就放在太阳底下,用聚焦高温燃烧东西,玩得很开心。另外,因为我喜欢照相。我什么都拍,但是也什么都没拍好。我想怎么自己拍照这么差劲?后来我下决心,仔细看书,学习构图、快门、滤镜、光圈等拍照技巧,对镜头、成像这些很有兴趣,就被吸引进入光学这方面。
「我的好奇心相当强的,看到什么事情我就想要知道原理是什么,知道原理我才做得下去,要是不知道原理就很难受。」
──林本坚
林本坚博士已经退休,但他的科学精神将感染很多代人。
想要了解这些大名鼎鼎的科学家打小是怎么过来的?他们从小就热爱科学吗?生来就有天赋吗?早早就立下了志向吗?又是什么,让他们登上了常人难以企及的高峰?
让我们从《“未来”科学家》这套丛书里寻找答案吧。
这套丛书以访谈实录的形式,还原了未来科学大奖历届获奖者的成长经历和奋斗故事。
注:原刊于《「未来」科学家:未来科学大奖获奖者访谈实录(2016-2019)》,获未来科学大奖基金会有限公司授权摘录转载。
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2018未来科学大奖获奖者林本坚获奖工作介绍
Produced by Nature Research