解讀臺灣納米元件實驗室

汪麗麗 閻桂蘭

應對新技術(shù)革命浪潮

自20世紀70年代起，微電子技術(shù)開始引領全球電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，讓電子計算機變得體積更小、性能更強大、運行速度更快，讓其他消費性電子產(chǎn)品功能更多、價錢更便宜、應用服務更廣。美國科學院在1979年發(fā)表的一份研究報告認為：“微電子學的新時代已經(jīng)預示著第二次工業(yè)革命的來臨。這次新的工業(yè)革命對社會的影響，甚至可能比第一次工業(yè)革命更大?！绷_馬俱樂部主席奧萊里歐·佩切依博士甚至認為，微電子學的發(fā)展“可能是人類歷史上最偉大的革命”。1979年，美國哈佛大學社會學教授丹尼爾·貝爾發(fā)表了題為《信息社會》的文章，認為即將到來的后工業(yè)社會就是信息社會。他預言，到21世紀，以微電子學為基礎的計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，對經(jīng)濟發(fā)展和社會交往的方式、對創(chuàng)造知識和獲取知識的方式、對人類所從事的職業(yè)和工作的特點，可能有決定性的意義。1980年，美國未來學家阿爾溫·托夫勒發(fā)表了《第三次浪潮》，從生產(chǎn)力的發(fā)展角度出發(fā)，認為人類社會正在進入一個新的文明時期。

此后，世界各國和地區(qū)都在相互競爭，使得微電子技術(shù)的研發(fā)工作更講求時效，臺灣在這方面也一直努力追趕。盡管當時島內(nèi)半導體晶圓和集成電路設計制造產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，但由于研發(fā)成本昂貴，各個廠家難以單獨承受。另外，由于臺灣半導體廠商沒有自己的專利技術(shù)，因此需要負擔昂貴的授權(quán)金及代工所要犧牲的代價，產(chǎn)品難以與韓國三星電子等企業(yè)競爭，因此島內(nèi)學術(shù)界與企業(yè)界迫切希望臺當局出資設立一個公益性的微電子技術(shù)實驗室，為全社會提供公共創(chuàng)新科技研發(fā)實驗平臺，達到研究資源整合與共享，能夠結(jié)合全臺灣微電子領域的所有專家學者，共同研發(fā)先進的半導體制程技術(shù)，并藉由對各大專院校碩、博士研究生的培訓，培育學術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界所需的微電子技術(shù)尖端人才，使他們一出校門即可投入生產(chǎn)行列，提升臺灣微電子領域的研究水準，增加島內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的競爭實力。

1988年12月，臺灣行政主管部門批準了“國家次微米元件實驗室”的建設計劃。該實驗室地址位于新竹市大學路，歸屬臺灣科技主管部門。到1992年，共建成總面積為2245平方米的無塵室（含10級無塵室、1000級無塵室和1萬級無塵室等三種），安裝有80多部微電子集成電路制程機臺。1993年6月更名為“國家毫微米元件實驗室”，有償提供給島內(nèi)學術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界進行半導體材料及元件的前瞻性研發(fā)工作。該實驗室以6英寸硅芯片的完整CMOS（互補氧化金屬半導體）集成電路制程模組技術(shù)為基礎，研究重點為納米級集成電路元件和納米科技相關(guān)的制程，包括電子束直寫技術(shù)、光學微影制程技術(shù)、前段與后段制程技術(shù)、材料分析及高頻測量與電腦模擬等，并接受島內(nèi)半導體集成電路設計和制造企業(yè)的委托，合作開展研究與技術(shù)服務。

在2000年前后，臺灣科技主管部門每年向該實驗室投入經(jīng)費為540多億元新臺幣，工作人員達到近百人，主要研發(fā)毫微米元件結(jié)構(gòu)、微影技術(shù)、前段技術(shù)、后段技術(shù)、高頻元件關(guān)鍵技術(shù)及分析與測量技術(shù)等，每年平均發(fā)表論文約150篇，取得專利20余項，舉辦各類島內(nèi)半導體業(yè)界所需人才培訓課程，包括集成電路制程技術(shù)、半導體設備、潔凈室入廠培訓及儀器操作等2000多人。另外，接受技術(shù)委托服務1萬多件，獲得收入新臺幣1億多元。

建立南區(qū)基地

2002年，由于全球微電子科技進步，其研究領域已從原來的毫微米逐漸進入納米階段，該實驗室也更名為“國家奈米元件實驗室”（臺灣科技界習慣將納米稱為“奈米”，以下稱臺灣納米元件實驗室），并在剛落成的南部科學工業(yè)園區(qū)內(nèi)設立了南區(qū)辦公室。第二年，為配合臺灣科技主管部門下屬科研機構(gòu)的財團法人體制改革，被轉(zhuǎn)隸屬為“國研院”，2004年遷至現(xiàn)址“奈米電子研究大樓”。2007年，該實驗室在臺南市位于南部科學工業(yè)園區(qū)內(nèi)的成功大學奇美樓設立臺南分部（也稱納米元件實驗室南區(qū)基地），主要任務為建設研發(fā)平臺，支持學術(shù)研究，推動前瞻科技，培育科技人才，以技術(shù)服務和人在培育為基礎，推進前瞻CMOS元件、能源光電、生醫(yī)、微機電制程與高頻技術(shù)的拓展與轉(zhuǎn)型。

該實驗室共下設11個小組，包括納米組件組、前瞻組件組、高頻技術(shù)組、企創(chuàng)推廣組、行政服務組、制程服務組、微影光罩組、刻蝕薄膜組、廠務工程組、檢測分析組和南區(qū)服務組（臺南），共有工作人員160余人，年收入（包括臺灣科技主管部門補助款、該機構(gòu)自籌款和企業(yè)捐款）約7億元新臺幣。

納米元件實驗室以位于新竹的北區(qū)基地為核心，主要以CMOS集成電路為發(fā)展主軸，已建立起一套核心試驗線，主要開展新穎納米電子組件、納米電子組件技術(shù)、納米制造和功能性材料制程技術(shù)、納米生醫(yī)與微機電等前瞻研究；南區(qū)則以納米能源與納米光電相關(guān)技術(shù)服務為主，構(gòu)建臺灣南部地區(qū)所需的納米能源技術(shù)及太陽能研發(fā)與人才培育平臺。

該實驗室支持產(chǎn)學界從事射頻/微波/毫米波電路、雙埠S參數(shù)/高頻雜訊參數(shù)/低頻雜訊參數(shù)/脈沖式射頻參數(shù)與高頻功率參數(shù)等高頻元件和集成電路相關(guān)研究工作，同時支持產(chǎn)學界在納米影像技術(shù)的繞射、掃描、表面化學與低溫分析研究，積極為下一世代小于10納米元件科技提供完整的技術(shù)服務準備，陸續(xù)開放鰭式電晶體技術(shù)服務、納米圖案化技術(shù)服務，以及小于10納米的RRAM制程技術(shù)服務，協(xié)助島內(nèi)研究團隊在與業(yè)界接軌的開放式研究環(huán)境中，進行各項制程技術(shù)開發(fā)工作，使學術(shù)研究發(fā)揮產(chǎn)業(yè)價值，培育業(yè)界所需技術(shù)人才。

此外，該實驗室還是島內(nèi)唯一提供學研界“一站式”全套委托服務的開放式實驗研究機構(gòu)，讓島內(nèi)產(chǎn)學研得以通過此共同研發(fā)平臺，以各種合作計劃模式交換不同領域的研究成果與技術(shù)。近年持續(xù)推動學研計劃，鼓勵各大學院校相關(guān)系所與本實驗室共同進行合作研究工作，集中相關(guān)領域的專業(yè)人才與實驗室儀器設備資源，開發(fā)納米CMOS元件技術(shù)、納米能源與光電元件技術(shù)、納米生醫(yī)微機電元件技術(shù)等技術(shù)，不但達到資源共享的目的，縮短制程開發(fā)時間，提高研究效率，亦可從中培養(yǎng)相關(guān)研究人才。目前正在執(zhí)行的計劃共計109項，合作的對象包括臺大、新竹清華大學、新竹交通大學、成功大學、中央大學、中山大學、中興大學等36所島內(nèi)公私立大專院校的上百位專家教授。

打造先進技術(shù)研發(fā)平臺

2008年，為建立與世界一流研究機構(gòu)接軌的開放式實驗研究環(huán)境，臺灣納米元件實驗室將原有老舊且維修困難的6英寸晶圓儀器設備淘汰換新，建立起8英寸晶圓制程測試的核心試驗線，其中包括TCP9600金屬蝕刻機、UNAXIS SiGe超高真空化學分子磊晶系統(tǒng)、ELIONIX電子束直寫系統(tǒng)、電子束蒸鍍系統(tǒng)、水平爐管、物理氣相沉積系統(tǒng)、電感耦合式蝕刻機等設備，并開放使用。

自2009年12月起，該實驗室分別提供90納米硅基CMOS元件技術(shù)平臺、非晶硅薄膜太陽能電池元件技術(shù)平臺、微機電系統(tǒng)服務平臺與微流道芯片服務平臺等四大先進技術(shù)研發(fā)平臺，為島內(nèi)學術(shù)界提供優(yōu)質(zhì)的納米制造核心設施營運與服務。其中，使用者可通過實驗室提供的元件制程服務與技術(shù)咨詢，在較具彈性的實驗研究環(huán)境中，為前瞻性但尚無法量產(chǎn)的技術(shù)，或仍在理論階段的各種實驗研究進行半導體元件制作與測試。

為滿足學研界薄膜太陽能電池制程研究需求，實驗室提供了多腔體、大面積制程系統(tǒng)的非晶硅薄膜太陽能電池元件服務平臺，使用者可進行各種材料或制程的研究嘗試，以發(fā)展材料成本低廉，又有利于大量生產(chǎn)的薄膜太陽能電池。此外，實驗室還設立了涵蓋面型微加工技術(shù)及體型微加工技術(shù)的微機電系統(tǒng)服務平臺，提供產(chǎn)學研進行金屬面型微加工制程與SOI體型微加工制程等微機電相關(guān)元件研究，使用者可在四層金屬堆迭與定義、非等向性介電層深蝕刻、等向性體型硅基材蝕刻、非等向性體型硅基材蝕刻與等向性濕式蝕刻等制程模組上進行各項課題的創(chuàng)新研究，提升島內(nèi)學研界在微機電制程研究領域的能力。

該實驗室南部基地還完成微流道芯片服務平臺，其功能包括玻璃基板與PDMS微流體通道接合技術(shù)、具有微小電極（如鋁，鉻/金等）的玻璃基板與PDMS微流體通道接合技術(shù)、硅基板/SiO2/SiNx與PDMS微流體通道接合技術(shù)等整合微影、蝕刻及電漿表面處理等制程，可應用于微混合器、生醫(yī)分析芯片、微生化反應等相關(guān)領域微流體芯片的制程研究需求。

近年，該實驗室又新開發(fā)出15納米元件研發(fā)平臺所需核心技術(shù)，包括：10納米電子束及噴印成像微影技術(shù)、鍺電晶體、非銅納米金屬連線、低溫摻雜活化技術(shù)、電阻式存儲器技術(shù)，并以此為基礎，在島內(nèi)成立“12至8納米元件產(chǎn)學研發(fā)聯(lián)盟”，邀集參與臺灣納米重點科技計劃的科研機構(gòu)、島內(nèi)各大學相關(guān)領域的研究學者、臺灣工研院、臺積電、聯(lián)電、旺宏等半導體企業(yè)，共同合作，以關(guān)鍵前段制程技術(shù)、關(guān)鍵后段制程技術(shù)及存儲器元件技術(shù)作為三大研發(fā)主軸，開展12至8納米元件研發(fā)平臺關(guān)鍵技術(shù)的專利布局。

重要研發(fā)成果

早在2004年，該實驗室就以自行研制的前翼懸臂導電探針，成功開發(fā)出非光擾電性掃描探針顯微術(shù)，后又研制成全世界首個硅基類鐵電存儲器。2009年，臺灣納米元件實驗室領先全球，開發(fā)出第一個16納米功能性靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）單位晶胞。應用此技術(shù)，在1平方厘米面積下可容納150多億個電晶體，約是目前45納米元件技術(shù)的10倍多。此成果已在當年12月國際電子元件會議（IEDM）上正式發(fā)表。

此外，該實驗室還發(fā)表了另外3項16納米元件關(guān)鍵技術(shù)，包括納米噴印成像技術(shù)、320度低溫微波活化與N型鍺元件研究。相比于一般傳統(tǒng)微影光學成像技術(shù)，納米噴印成像技術(shù)采用類似最便宜的印刷方式，完全不需使用光阻及光罩，可完全省掉每套1億元新臺幣以上的光罩費用，并可避免非常復雜的光阻干涉現(xiàn)象，為16納米以下世代半導體微影成像技術(shù)提供新的選項。此技術(shù)由于機臺構(gòu)造簡單，可輕易突破傳統(tǒng)光學微影成像在10納米左右的物理極限，并可延伸至5納米的終極元件尺寸，是臺灣在先進集成電路元件制程的重大突破性創(chuàng)新。該實驗室還首度成功將傳統(tǒng)900攝氏度以上的退火溫度，利用微波制程大幅降至320攝氏度。這一低溫活化制程是未來積層型三維集成電路元件的關(guān)鍵技術(shù)，以實現(xiàn)電子產(chǎn)品輕薄短小的需求。

臺灣納米元件實驗室臺南分部目前已建立起第三代硅薄膜太陽能電池研發(fā)及材料分析的研發(fā)平臺，并完成三項重要技術(shù)指標：有機硅太陽能電池及OLED（有機發(fā)光二極管）等光電元件研發(fā)平臺，可在手套箱內(nèi)嚴格控制水氧的環(huán)境中進行涂布、烘烤、及封裝等制程，并連結(jié)多腔體蒸鍍機達到一貫化制程的目的；完成建立入射光子轉(zhuǎn)換效率分析儀、太陽能模擬器等材料/元件分析能力；完成建立表面修飾系統(tǒng)達到納米粒子合成及分散涂布等目的。這是全臺灣第一個薄膜太陽能電池服務平臺，對島內(nèi)再生能源技術(shù)開發(fā)具重大意義。

臺同在2010年，臺南分部納米元件廠首度開發(fā)出低溫140攝氏度電晶體整合型太陽能電池技術(shù)，采用全世界首創(chuàng)高密度電漿沉積低缺陷薄膜技術(shù)，開發(fā)出效率突破9.6%，電池光照后僅10%的轉(zhuǎn)換率衰退，達世界級水準的單一接面非晶硅薄膜太陽能電池，并可將此電池整合進薄膜電晶體模組中。此開創(chuàng)性研發(fā)結(jié)果對發(fā)展自供電力電子電路、多功能顯示面板等綠能產(chǎn)業(yè)應用將有極大助益。2011年，該實驗室又研制出導入銀、鍺兩種新元件材料，并將被動的元件節(jié)能科技提升為主動的自供電力線路模組的內(nèi)建硅基太陽能電池元件。10納米元件技術(shù)，采用銀金屬直立導線技術(shù)及三角型鍺鰭式電晶體自供電力線路模組，以低電阻的銀直立導線取代現(xiàn)行的鎢金屬，可減少70%的電阻，并實現(xiàn)10納米以下的孔洞填充，提升硅平面電晶體2至4倍的運行速度，可將元件微縮至10納米以下。內(nèi)建雙面入光太陽能電池，可提供元件芯片電力，將是未來太陽能電池提升效能和芯片微小化的關(guān)鍵。

2013年，該實驗室研發(fā)的多重鰭高的鰭式場效電晶體制程技術(shù)，可在同樣面積上增加約2000萬個電晶體，使各類電子產(chǎn)品的存儲容量增加20%，或降低制造成本20%。他們開發(fā)的積層型三維集成電路技術(shù)是一種不需以硅穿孔制程所完成的三維芯片堆迭整合技術(shù)，因每層厚度僅為傳統(tǒng)技術(shù)的150分之一，可大幅提升信號傳輸速度。另外，他們還與臺灣大型研究團隊共同完成支持南極探測極高能宇宙中微子的中微子探測器設備中最關(guān)鍵的低雜訊放大器。

該實驗室還在2012年開發(fā)出納米生醫(yī)檢測芯片——血液中稀少致病菌的快速鑒定芯片，本進行全細胞檢測（即不需要把細胞打破完整細胞就可做檢測，一般DNA檢測都要經(jīng)過打破細胞，然后取出里面東西放大，經(jīng)過雜交配對繁瑣過程后才有辦法進行檢測）僅需5分鐘時間即可完成，不需打破細胞進行DNA檢測，也不需抗體修飾與生化反應等耗時且昂貴的流程。這種芯片簡化傳統(tǒng)繁復流程，僅需提供一小電壓源即可分離并同時濃縮目標菌（約3分鐘），產(chǎn)生一高密度的細菌團，直接在芯片上對分離濃縮后的目標菌進行“細菌光譜指紋”的檢測與比對鑒定（少于2分鐘），可在5分鐘以內(nèi)檢測出敗血癥。