解读台湾纳米元件实验室

汪丽丽 阎桂兰

应对新技术革命浪潮

自20世纪70年代起，微电子技术开始引领全球电子信息产业快速发展，让电子计算机变得体积更小、性能更强大、运行速度更快，让其他消费性电子产品功能更多、价钱更便宜、应用服务更广。美国科学院在1979年发表的一份研究报告认为：“微电子学的新时代已经预示着第二次工业革命的来临。这次新的工业革命对社会的影响，甚至可能比第一次工业革命更大。”罗马俱乐部主席奥莱里欧·佩切依博士甚至认为，微电子学的发展“可能是人类历史上最伟大的革命”。1979年，美国哈佛大学社会学教授丹尼尔·贝尔发表了题为《信息社会》的文章，认为即将到来的后工业社会就是信息社会。他预言，到21世纪，以微电子学为基础的计算机技术和通信技术相结合的结果，对经济发展和社会交往的方式、对创造知识和获取知识的方式、对人类所从事的职业和工作的特点，可能有决定性的意义。1980年，美国未来学家阿尔温·托夫勒发表了《第三次浪潮》，从生产力的发展角度出发，认为人类社会正在进入一个新的文明时期。

此后，世界各国和地区都在相互竞争，使得微电子技术的研发工作更讲求时效，台湾在这方面也一直努力追赶。尽管当时岛内半导体晶圆和集成电路设计制造产业已初具规模，但由于研发成本昂贵，各个厂家难以单独承受。另外，由于台湾半导体厂商没有自己的专利技术，因此需要负担昂贵的授权金及代工所要牺牲的代价，产品难以与韩国三星电子等企业竞争，因此岛内学术界与企业界迫切希望台当局出资设立一个公益性的微电子技术实验室，为全社会提供公共创新科技研发实验平台，达到研究资源整合与共享，能够结合全台湾微电子领域的所有专家学者，共同研发先进的半导体制程技术，并藉由对各大专院校硕、博士研究生的培训，培育学术界及产业界所需的微电子技术尖端人才，使他们一出校门即可投入生产行列，提升台湾微电子领域的研究水准，增加岛内集成电路产业的竞争实力。

1988年12月，台湾行政主管部门批准了“国家次微米元件实验室”的建设计划。该实验室地址位于新竹市大学路，归属台湾科技主管部门。到1992年，共建成总面积为2245平方米的无尘室（含10级无尘室、1000级无尘室和1万级无尘室等三种），安装有80多部微电子集成电路制程机台。1993年6月更名为“国家毫微米元件实验室”，有偿提供给岛内学术界与产业界进行半导体材料及元件的前瞻性研发工作。该实验室以6英寸硅芯片的完整CMOS（互补氧化金属半导体）集成电路制程模组技术为基础，研究重点为纳米级集成电路元件和纳米科技相关的制程，包括电子束直写技术、光学微影制程技术、前段与后段制程技术、材料分析及高频测量与电脑模拟等，并接受岛内半导体集成电路设计和制造企业的委托，合作开展研究与技术服务。

在2000年前后，台湾科技主管部门每年向该实验室投入经费为540多亿元新台币，工作人员达到近百人，主要研发毫微米元件结构、微影技术、前段技术、后段技术、高频元件关键技术及分析与测量技术等，每年平均发表论文约150篇，取得专利20余项，举办各类岛内半导体业界所需人才培训课程，包括集成电路制程技术、半导体设备、洁净室入厂培训及仪器操作等2000多人。另外，接受技术委托服务1万多件，获得收入新台币1亿多元。

建立南区基地

2002年，由于全球微电子科技进步，其研究领域已从原来的毫微米逐渐进入纳米阶段，该实验室也更名为“国家奈米元件实验室”（台湾科技界习惯将纳米称为“奈米”，以下称台湾纳米元件实验室），并在刚落成的南部科学工业园区内设立了南区办公室。第二年，为配合台湾科技主管部门下属科研机构的财团法人体制改革，被转隶属为“国研院”，2004年迁至现址“奈米电子研究大楼”。2007年，该实验室在台南市位于南部科学工业园区内的成功大学奇美楼设立台南分部（也称纳米元件实验室南区基地），主要任务为建设研发平台，支持学术研究，推动前瞻科技，培育科技人才，以技术服务和人在培育为基础，推进前瞻CMOS元件、能源光电、生医、微机电制程与高频技术的拓展与转型。

该实验室共下设11个小组，包括纳米组件组、前瞻组件组、高频技术组、企创推广组、行政服务组、制程服务组、微影光罩组、刻蚀薄膜组、厂务工程组、检测分析组和南区服务组（台南），共有工作人员160余人，年收入（包括台湾科技主管部门补助款、该机构自筹款和企业捐款）约7亿元新台币。

纳米元件实验室以位于新竹的北区基地为核心，主要以CMOS集成电路为发展主轴，已建立起一套核心试验线，主要开展新颖纳米电子组件、纳米电子组件技术、纳米制造和功能性材料制程技术、纳米生医与微机电等前瞻研究；南区则以纳米能源与纳米光电相关技术服务为主，构建台湾南部地区所需的纳米能源技术及太阳能研发与人才培育平台。

该实验室支持产学界从事射频/微波/毫米波电路、双埠S参数/高频杂讯参数/低频杂讯参数/脉冲式射频参数与高频功率参数等高频元件和集成电路相关研究工作，同时支持产学界在纳米影像技术的绕射、扫描、表面化学与低温分析研究，积极为下一世代小于10纳米元件科技提供完整的技术服务准备，陆续开放鳍式电晶体技术服务、纳米图案化技术服务，以及小于10纳米的RRAM制程技术服务，协助岛内研究团队在与业界接轨的开放式研究环境中，进行各项制程技术开发工作，使学术研究发挥产业价值，培育业界所需技术人才。

此外，该实验室还是岛内唯一提供学研界“一站式”全套委托服务的开放式实验研究机构，让岛内产学研得以通过此共同研发平台，以各种合作计划模式交换不同领域的研究成果与技术。近年持续推动学研计划，鼓励各大学院校相关系所与本实验室共同进行合作研究工作，集中相关领域的专业人才与实验室仪器设备资源，开发纳米CMOS元件技术、纳米能源与光电元件技术、纳米生医微机电元件技术等技术，不但达到资源共享的目的，缩短制程开发时间，提高研究效率，亦可从中培养相关研究人才。目前正在执行的计划共计109项，合作的对象包括台大、新竹清华大学、新竹交通大学、成功大学、中央大学、中山大学、中兴大学等36所岛内公私立大专院校的上百位专家教授。

打造先进技术研发平台

2008年，为建立与世界一流研究机构接轨的开放式实验研究环境，台湾纳米元件实验室将原有老旧且维修困难的6英寸晶圆仪器设备淘汰换新，建立起8英寸晶圆制程测试的核心试验线，其中包括TCP9600金属蚀刻机、UNAXIS SiGe超高真空化学分子磊晶系统、ELIONIX电子束直写系统、电子束蒸镀系统、水平炉管、物理气相沉积系统、电感耦合式蚀刻机等设备，并开放使用。

自2009年12月起，该实验室分别提供90纳米硅基CMOS元件技术平台、非晶硅薄膜太阳能电池元件技术平台、微机电系统服务平台与微流道芯片服务平台等四大先进技术研发平台，为岛内学术界提供优质的纳米制造核心设施营运与服务。其中，使用者可通过实验室提供的元件制程服务与技术咨询，在较具弹性的实验研究环境中，为前瞻性但尚无法量产的技术，或仍在理论阶段的各种实验研究进行半导体元件制作与测试。

为满足学研界薄膜太阳能电池制程研究需求，实验室提供了多腔体、大面积制程系统的非晶硅薄膜太阳能电池元件服务平台，使用者可进行各种材料或制程的研究尝试，以发展材料成本低廉，又有利于大量生产的薄膜太阳能电池。此外，实验室还设立了涵盖面型微加工技术及体型微加工技术的微机电系统服务平台，提供产学研进行金属面型微加工制程与SOI体型微加工制程等微机电相关元件研究，使用者可在四层金属堆迭与定义、非等向性介电层深蚀刻、等向性体型硅基材蚀刻、非等向性体型硅基材蚀刻与等向性湿式蚀刻等制程模组上进行各项课题的创新研究，提升岛内学研界在微机电制程研究领域的能力。

该实验室南部基地还完成微流道芯片服务平台，其功能包括玻璃基板与PDMS微流体通道接合技术、具有微小电极（如铝，铬/金等）的玻璃基板与PDMS微流体通道接合技术、硅基板/SiO2/SiNx与PDMS微流体通道接合技术等整合微影、蚀刻及电浆表面处理等制程，可应用于微混合器、生医分析芯片、微生化反应等相关领域微流体芯片的制程研究需求。

近年，该实验室又新开发出15纳米元件研发平台所需核心技术，包括：10纳米电子束及喷印成像微影技术、锗电晶体、非铜纳米金属连线、低温掺杂活化技术、电阻式存储器技术，并以此为基础，在岛内成立“12至8纳米元件产学研发联盟”，邀集参与台湾纳米重点科技计划的科研机构、岛内各大学相关领域的研究学者、台湾工研院、台积电、联电、旺宏等半导体企业，共同合作，以关键前段制程技术、关键后段制程技术及存储器元件技术作为三大研发主轴，开展12至8纳米元件研发平台关键技术的专利布局。

重要研发成果

早在2004年，该实验室就以自行研制的前翼悬臂导电探针，成功开发出非光扰电性扫描探针显微术，后又研制成全世界首个硅基类铁电存储器。2009年，台湾纳米元件实验室领先全球，开发出第一个16纳米功能性静态随机存取存储器（SRAM）单位晶胞。应用此技术，在1平方厘米面积下可容纳150多亿个电晶体，约是目前45纳米元件技术的10倍多。此成果已在当年12月国际电子元件会议（IEDM）上正式发表。

此外，该实验室还发表了另外3项16纳米元件关键技术，包括纳米喷印成像技术、320度低温微波活化与N型锗元件研究。相比于一般传统微影光学成像技术，纳米喷印成像技术采用类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1亿元新台币以上的光罩费用，并可避免非常复杂的光阻干涉现象，为16纳米以下世代半导体微影成像技术提供新的选项。此技术由于机台构造简单，可轻易突破传统光学微影成像在10纳米左右的物理极限，并可延伸至5纳米的终极元件尺寸，是台湾在先进集成电路元件制程的重大突破性创新。该实验室还首度成功将传统900摄氏度以上的退火温度，利用微波制程大幅降至320摄氏度。这一低温活化制程是未来积层型三维集成电路元件的关键技术，以实现电子产品轻薄短小的需求。

台湾纳米元件实验室台南分部目前已建立起第三代硅薄膜太阳能电池研发及材料分析的研发平台，并完成三项重要技术指标：有机硅太阳能电池及OLED（有机发光二极管）等光电元件研发平台，可在手套箱内严格控制水氧的环境中进行涂布、烘烤、及封装等制程，并连结多腔体蒸镀机达到一贯化制程的目的；完成建立入射光子转换效率分析仪、太阳能模拟器等材料/元件分析能力；完成建立表面修饰系统达到纳米粒子合成及分散涂布等目的。这是全台湾第一个薄膜太阳能电池服务平台，对岛内再生能源技术开发具重大意义。

台同在2010年，台南分部纳米元件厂首度开发出低温140摄氏度电晶体整合型太阳能电池技术，采用全世界首创高密度电浆沉积低缺陷薄膜技术，开发出效率突破9.6%，电池光照后仅10%的转换率衰退，达世界级水准的单一接面非晶硅薄膜太阳能电池，并可将此电池整合进薄膜电晶体模组中。此开创性研发结果对发展自供电力电子电路、多功能显示面板等绿能产业应用将有极大助益。2011年，该实验室又研制出导入银、锗两种新元件材料，并将被动的元件节能科技提升为主动的自供电力线路模组的内建硅基太阳能电池元件。10纳米元件技术，采用银金属直立导线技术及三角型锗鳍式电晶体自供电力线路模组，以低电阻的银直立导线取代现行的钨金属，可减少70%的电阻，并实现10纳米以下的孔洞填充，提升硅平面电晶体2至4倍的运行速度，可将元件微缩至10纳米以下。内建双面入光太阳能电池，可提供元件芯片电力，将是未来太阳能电池提升效能和芯片微小化的关键。

2013年，该实验室研发的多重鳍高的鳍式场效电晶体制程技术，可在同样面积上增加约2000万个电晶体，使各类电子产品的存储容量增加20%，或降低制造成本20%。他们开发的积层型三维集成电路技术是一种不需以硅穿孔制程所完成的三维芯片堆迭整合技术，因每层厚度仅为传统技术的150分之一，可大幅提升信号传输速度。另外，他们还与台湾大型研究团队共同完成支持南极探测极高能宇宙中微子的中微子探测器设备中最关键的低杂讯放大器。

该实验室还在2012年开发出纳米生医检测芯片——血液中稀少致病菌的快速鉴定芯片，本进行全细胞检测（即不需要把细胞打破完整细胞就可做检测，一般DNA检测都要经过打破细胞，然后取出里面东西放大，经过杂交配对繁琐过程后才有办法进行检测）仅需5分钟时间即可完成，不需打破细胞进行DNA检测，也不需抗体修饰与生化反应等耗时且昂贵的流程。这种芯片简化传统繁复流程，仅需提供一小电压源即可分离并同时浓缩目标菌（约3分钟），产生一高密度的细菌团，直接在芯片上对分离浓缩后的目标菌进行“细菌光谱指纹”的检测与比对鉴定（少于2分钟），可在5分钟以内检测出败血症。