汪麗麗 閻桂蘭

應(yīng)對(duì)新技術(shù)革命浪潮

自20世紀(jì)70年代起，微電子技術(shù)開始引領(lǐng)全球電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，讓電子計(jì)算機(jī)變得體積更小、性能更強(qiáng)大、運(yùn)行速度更快，讓其他消費(fèi)性電子產(chǎn)品功能更多、價(jià)錢更便宜、應(yīng)用服務(wù)更廣。美國科學(xué)院在1979年發(fā)表的一份研究報(bào)告認(rèn)為：“微電子學(xué)的新時(shí)代已經(jīng)預(yù)示著第二次工業(yè)革命的來臨。這次新的工業(yè)革命對(duì)社會(huì)的影響，甚至可能比第一次工業(yè)革命更大。”羅馬俱樂部主席奧萊里歐·佩切依博士甚至認(rèn)為，微電子學(xué)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(xué)社會(huì)學(xué)教授丹尼爾·貝爾發(fā)表了題為《信息社會(huì)》的文章，認(rèn)為即將到來的后工業(yè)社會(huì)就是信息社會(huì)。他預(yù)言，到21世紀(jì)，以微電子學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)交往的方式、對(duì)創(chuàng)造知識(shí)和獲取知識(shí)的方式、對(duì)人類所從事的職業(yè)和工作的特點(diǎn)，可能有決定性的意義。1980年，美國未來學(xué)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(rèn)為人類社會(huì)正在進(jìn)入一個(gè)新的文明時(shí)期。

此后，世界各國和地區(qū)都在相互競(jìng)爭(zhēng)，使得微電子技術(shù)的研發(fā)工作更講求時(shí)效，臺(tái)灣在這方面也一直努力追趕。盡管當(dāng)時(shí)島內(nèi)半導(dǎo)體晶圓和集成電路設(shè)計(jì)制造產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，但由于研發(fā)成本昂貴，各個(gè)廠家難以單獨(dú)承受。另外，由于臺(tái)灣半導(dǎo)體廠商沒有自己的專利技術(shù)，因此需要負(fù)擔(dān)昂貴的授權(quán)金及代工所要犧牲的代價(jià)，產(chǎn)品難以與韓國三星電子等企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，因此島內(nèi)學(xué)術(shù)界與企業(yè)界迫切希望臺(tái)當(dāng)局出資設(shè)立一個(gè)公益性的微電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，為全社會(huì)提供公共創(chuàng)新科技研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，達(dá)到研究資源整合與共享，能夠結(jié)合全臺(tái)灣微電子領(lǐng)域的所有專家學(xué)者，共同研發(fā)先進(jìn)的半導(dǎo)體制程技術(shù)，并藉由對(duì)各大專院校碩、博士研究生的培訓(xùn)，培育學(xué)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(tái)灣微電子領(lǐng)域的研究水準(zhǔn)，增加島內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

1988年12月，臺(tái)灣行政主管部門批準(zhǔn)了“國家次微米元件實(shí)驗(yàn)室”的建設(shè)計(jì)劃。該實(shí)驗(yàn)室地址位于新竹市大學(xué)路，歸屬臺(tái)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(jí)無塵室、1000級(jí)無塵室和1萬級(jí)無塵室等三種），安裝有80多部微電子集成電路制程機(jī)臺(tái)。1993年6月更名為“國家毫微米元件實(shí)驗(yàn)室”，有償提供給島內(nèi)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界進(jìn)行半導(dǎo)體材料及元件的前瞻性研發(fā)工作。該實(shí)驗(yàn)室以6英寸硅芯片的完整CMOS（互補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體）集成電路制程模組技術(shù)為基礎(chǔ)，研究重點(diǎn)為納米級(jí)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(xué)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(cè)量與電腦模擬等，并接受島內(nèi)半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)和制造企業(yè)的委托，合作開展研究與技術(shù)服務(wù)。

在2000年前后，臺(tái)灣科技主管部門每年向該實(shí)驗(yàn)室投入經(jīng)費(fèi)為540多億元新臺(tái)幣，工作人員達(dá)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(cè)量技術(shù)等，每年平均發(fā)表論文約150篇，取得專利20余項(xiàng)，舉辦各類島內(nèi)半導(dǎo)體業(yè)界所需人才培訓(xùn)課程，包括集成電路制程技術(shù)、半導(dǎo)體設(shè)備、潔凈室入廠培訓(xùn)及儀器操作等2000多人。另外，接受技術(shù)委托服務(wù)1萬多件，獲得收入新臺(tái)幣1億多元。

建立南區(qū)基地

2002年，由于全球微電子科技進(jìn)步，其研究領(lǐng)域已從原來的毫微米逐漸進(jìn)入納米階段，該實(shí)驗(yàn)室也更名為“國家奈米元件實(shí)驗(yàn)室”（臺(tái)灣科技界習(xí)慣將納米稱為“奈米”，以下稱臺(tái)灣納米元件實(shí)驗(yàn)室），并在剛落成的南部科學(xué)工業(yè)園區(qū)內(nèi)設(shè)立了南區(qū)辦公室。第二年，為配合臺(tái)灣科技主管部門下屬科研機(jī)構(gòu)的財(cái)團(tuán)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(shí)驗(yàn)室在臺(tái)南市位于南部科學(xué)工業(yè)園區(qū)內(nèi)的成功大學(xué)奇美樓設(shè)立臺(tái)南分部（也稱納米元件實(shí)驗(yàn)室南區(qū)基地），主要任務(wù)為建設(shè)研發(fā)平臺(tái)，支持學(xué)術(shù)研究，推動(dòng)前瞻科技，培育科技人才，以技術(shù)服務(wù)和人在培育為基礎(chǔ)，推進(jìn)前瞻CMOS元件、能源光電、生醫(yī)、微機(jī)電制程與高頻技術(shù)的拓展與轉(zhuǎn)型。

該實(shí)驗(yàn)室共下設(shè)11個(gè)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(wù)組、制程服務(wù)組、微影光罩組、刻蝕薄膜組、廠務(wù)工程組、檢測(cè)分析組和南區(qū)服務(wù)組（臺(tái)南），共有工作人員160余人，年收入（包括臺(tái)灣科技主管部門補(bǔ)助款、該機(jī)構(gòu)自籌款和企業(yè)捐款）約7億元新臺(tái)幣。

納米元件實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jī)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(wù)為主，構(gòu)建臺(tái)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(tái)。

該實(shí)驗(yàn)室支持產(chǎn)學(xué)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(shí)支持產(chǎn)學(xué)界在納米影像技術(shù)的繞射、掃描、表面化學(xué)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(wù)準(zhǔn)備，陸續(xù)開放鰭式電晶體技術(shù)服務(wù)、納米圖案化技術(shù)服務(wù)，以及小于10納米的RRAM制程技術(shù)服務(wù)，協(xié)助島內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在與業(yè)界接軌的開放式研究環(huán)境中，進(jìn)行各項(xiàng)制程技術(shù)開發(fā)工作，使學(xué)術(shù)研究發(fā)揮產(chǎn)業(yè)價(jià)值，培育業(yè)界所需技術(shù)人才。

此外，該實(shí)驗(yàn)室還是島內(nèi)唯一提供學(xué)研界“一站式”全套委托服務(wù)的開放式實(shí)驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)，讓?shí)u內(nèi)產(chǎn)學(xué)研得以通過此共同研發(fā)平臺(tái)，以各種合作計(jì)劃模式交換不同領(lǐng)域的研究成果與技術(shù)。近年持續(xù)推動(dòng)學(xué)研計(jì)劃，鼓勵(lì)各大學(xué)院校相關(guān)系所與本實(shí)驗(yàn)室共同進(jìn)行合作研究工作，集中相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人才與實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)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(jī)電元件技術(shù)等技術(shù)，不但達(dá)到資源共享的目的，縮短制程開發(fā)時(shí)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(jì)劃共計(jì)109項(xiàng)，合作的對(duì)象包括臺(tái)大、新竹清華大學(xué)、新竹交通大學(xué)、成功大學(xué)、中央大學(xué)、中山大學(xué)、中興大學(xué)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(jìn)技術(shù)研發(fā)平臺(tái)

2008年，為建立與世界一流研究機(jī)構(gòu)接軌的開放式實(shí)驗(yàn)研究環(huán)境，臺(tái)灣納米元件實(shí)驗(yàn)室將原有老舊且維修困難的6英寸晶圓儀器設(shè)備淘汰換新，建立起8英寸晶圓制程測(cè)試的核心試驗(yàn)線，其中包括TCP9600金屬蝕刻機(jī)、UNAXIS SiGe超高真空化學(xué)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(jī)等設(shè)備，并開放使用。

自2009年12月起，該實(shí)驗(yàn)室分別提供90納米硅基CMOS元件技術(shù)平臺(tái)、非晶硅薄膜太陽能電池元件技術(shù)平臺(tái)、微機(jī)電系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)與微流道芯片服務(wù)平臺(tái)等四大先進(jìn)技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，為島內(nèi)學(xué)術(shù)界提供優(yōu)質(zhì)的納米制造核心設(shè)施營運(yùn)與服務(wù)。其中，使用者可通過實(shí)驗(yàn)室提供的元件制程服務(wù)與技術(shù)咨詢，在較具彈性的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行半導(dǎo)體元件制作與測(cè)試。

為滿足學(xué)研界薄膜太陽能電池制程研究需求，實(shí)驗(yàn)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(wù)平臺(tái)，使用者可進(jìn)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(shí)驗(yàn)室還設(shè)立了涵蓋面型微加工技術(shù)及體型微加工技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)，提供產(chǎn)學(xué)研進(jìn)行金屬面型微加工制程與SOI體型微加工制程等微機(jī)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(jìn)行各項(xiàng)課題的創(chuàng)新研究，提升島內(nèi)學(xué)研界在微機(jī)電制程研究領(lǐng)域的能力。

該實(shí)驗(yàn)室南部基地還完成微流道芯片服務(wù)平臺(tái)，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(yīng)用于微混合器、生醫(yī)分析芯片、微生化反應(yīng)等相關(guān)領(lǐng)域微流體芯片的制程研究需求。

近年，該實(shí)驗(yàn)室又新開發(fā)出15納米元件研發(fā)平臺(tái)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?fù)诫s活化技術(shù)、電阻式存儲(chǔ)器技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)，在島內(nèi)成立“12至8納米元件產(chǎn)學(xué)研發(fā)聯(lián)盟”，邀集參與臺(tái)灣納米重點(diǎn)科技計(jì)劃的科研機(jī)構(gòu)、島內(nèi)各大學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者、臺(tái)灣工研院、臺(tái)積電、聯(lián)電、旺宏等半導(dǎo)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(chǔ)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(tái)關(guān)鍵技術(shù)的專利布局。

重要研發(fā)成果

早在2004年，該實(shí)驗(yàn)室就以自行研制的前翼懸臂導(dǎo)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(gè)硅基類鐵電存儲(chǔ)器。2009年，臺(tái)灣納米元件實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)先全球，開發(fā)出第一個(gè)16納米功能性靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）單位晶胞。應(yīng)用此技術(shù)，在1平方厘米面積下可容納150多億個(gè)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(dāng)年12月國際電子元件會(huì)議（IEDM）上正式發(fā)表。

此外，該實(shí)驗(yàn)室還發(fā)表了另外3項(xiàng)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(xué)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(tái)幣以上的光罩費(fèi)用，并可避免非常復(fù)雜的光阻干涉現(xiàn)象，為16納米以下世代半導(dǎo)體微影成像技術(shù)提供新的選項(xiàng)。此技術(shù)由于機(jī)臺(tái)構(gòu)造簡(jiǎn)單，可輕易突破傳統(tǒng)光學(xué)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(tái)灣在先進(jìn)集成電路元件制程的重大突破性創(chuàng)新。該實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品輕薄短小的需求。

臺(tái)灣納米元件實(shí)驗(yàn)室臺(tái)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(tái)，并完成三項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)：有機(jī)硅太陽能電池及OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）等光電元件研發(fā)平臺(tái)，可在手套箱內(nèi)嚴(yán)格控制水氧的環(huán)境中進(jìn)行涂布、烘烤、及封裝等制程，并連結(jié)多腔體蒸鍍機(jī)達(dá)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(dá)到納米粒子合成及分散涂布等目的。這是全臺(tái)灣第一個(gè)薄膜太陽能電池服務(wù)平臺(tái)，對(duì)島內(nèi)再生能源技術(shù)開發(fā)具重大意義。

臺(tái)同在2010年，臺(tái)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(dá)世界級(jí)水準(zhǔn)的單一接面非晶硅薄膜太陽能電池，并可將此電池整合進(jìn)薄膜電晶體模組中。此開創(chuàng)性研發(fā)結(jié)果對(duì)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(yīng)用將有極大助益。2011年，該實(shí)驗(yàn)室又研制出導(dǎo)入銀、鍺兩種新元件材料，并將被動(dòng)的元件節(jié)能科技提升為主動(dòng)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(dǎo)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(dǎo)線取代現(xiàn)行的鎢金屬，可減少70%的電阻，并實(shí)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(yùn)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(shí)驗(yàn)室研發(fā)的多重鰭高的鰭式場(chǎng)效電晶體制程技術(shù)，可在同樣面積上增加約2000萬個(gè)電晶體，使各類電子產(chǎn)品的存儲(chǔ)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(hào)傳輸速度。另外，他們還與臺(tái)灣大型研究團(tuán)隊(duì)共同完成支持南極探測(cè)極高能宇宙中微子的中微子探測(cè)器設(shè)備中最關(guān)鍵的低雜訊放大器。

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