解讀臺灣納米元件實驗室

汪麗麗 閻桂蘭

應對新技術革命浪潮

自20世紀70年代起，微電子技術開始引領全球電子信息產業快速發展，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年發表的一份研究報告認為：“微電子學的新時代已經預示著第二次工業革命的來臨。這次新的工業革命對社會的影響，甚至可能比第一次工業革命更大。”羅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·貝爾發表了題為《信息社會》的文章，認為即將到來的后工業社會就是信息社會。他預言，到21世紀，以微電子學為基礎的計算機技術和通信技術相結合的結果，對經濟發展和社會交往的方式、對創造知識和獲取知識的方式、對人類所從事的職業和工作的特點，可能有決定性的意義。1980年，美國未來學家阿爾溫·托夫勒發表了《第三次浪潮》，從生產力的發展角度出發，認為人類社會正在進入一個新的文明時期。

此后，世界各國和地區都在相互競爭，使得微電子技術的研發工作更講求時效，臺灣在這方面也一直努力追趕。盡管當時島內半導體晶圓和集成電路設計制造產業已初具規模，但由于研發成本昂貴，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，因此需要負擔昂貴的授權金及代工所要犧牲的代價，產品難以與韓國三星電子等企業競爭，因此島內學術界與企業界迫切希望臺當局出資設立一個公益性的微電子技術實驗室，為全社會提供公共創新科技研發實驗平臺，達到研究資源整合與共享，能夠結合全臺灣微電子領域的所有專家學者，共同研發先進的半導體制程技術，并藉由對各大專院校碩、博士研究生的培訓，培育學術界及產業界所需的微電子技術尖端人才，使他們一出校門即可投入生產行列，提升臺灣微電子領域的研究水準，增加島內集成電路產業的競爭實力。

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”，有償提供給島內學術界與產業界進行半導體材料及元件的前瞻性研發工作。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為基礎，研究重點為納米級集成電路元件和納米科技相關的制程，包括電子束直寫技術、光學微影制程技術、前段與后段制程技術、材料分析及高頻測量與電腦模擬等，并接受島內半導體集成電路設計和制造企業的委托，合作開展研究與技術服務。

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

建立南區基地

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園區內設立了南區辦公室。第二年，為配合臺灣科技主管部門下屬科研機構的財團法人體制改革，被轉隸屬為“國研院”，2004年遷至現址“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園區內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基地），主要任務為建設研發平臺，支持學術研究，推動前瞻科技，培育科技人才，以技術服務和人在培育為基礎，推進前瞻CMOS元件、能源光電、生醫、微機電制程與高頻技術的拓展與轉型。

該實驗室共下設11個小組，包括納米組件組、前瞻組件組、高頻技術組、企創推廣組、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、該機構自籌款和企業捐款）約7億元新臺幣。

納米元件實驗室以位于新竹的北區基地為核心，主要以CMOS集成電路為發展主軸，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、納米制造和功能性材料制程技術、納米生醫與微機電等前瞻研究；南區則以納米能源與納米光電相關技術服務為主，構建臺灣南部地區所需的納米能源技術及太陽能研發與人才培育平臺。

該實驗室支持產學界從事射頻/微波/毫米波電路、雙埠S參數/高頻雜訊參數/低頻雜訊參數/脈沖式射頻參數與高頻功率參數等高頻元件和集成電路相關研究工作，同時支持產學界在納米影像技術的繞射、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服務準備，陸續開放鰭式電晶體技術服務、納米圖案化技術服務，以及小于10納米的RRAM制程技術服務，協助島內研究團隊在與業界接軌的開放式研究環境中，進行各項制程技術開發工作，使學術研究發揮產業價值，培育業界所需技術人才。

此外，該實驗室還是島內唯一提供學研界“一站式”全套委托服務的開放式實驗研究機構，讓島內產學研得以通過此共同研發平臺，以各種合作計劃模式交換不同領域的研究成果與技術。近年持續推動學研計劃，鼓勵各大學院校相關系所與本實驗室共同進行合作研究工作，集中相關領域的專業人才與實驗室儀器設備資源，開發納米CMOS元件技術、納米能源與光電元件技術、納米生醫微機電元件技術等技術，不但達到資源共享的目的，縮短制程開發時間，提高研究效率，亦可從中培養相關研究人才。目前正在執行的計劃共計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所島內公私立大專院校的上百位專家教授。

打造先進技術研發平臺

2008年，為建立與世界一流研究機構接軌的開放式實驗研究環境，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、ELIONIX電子束直寫系統、電子束蒸鍍系統、水平爐管、物理氣相沉積系統、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元件技術平臺、非晶硅薄膜太陽能電池元件技術平臺、微機電系統服務平臺與微流道芯片服務平臺等四大先進技術研發平臺，為島內學術界提供優質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咨詢，在較具彈性的實驗研究環境中，為前瞻性但尚無法量產的技術，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，以發展材料成本低廉，又有利于大量生產的薄膜太陽能電池。此外，實驗室還設立了涵蓋面型微加工技術及體型微加工技術的微機電系統服務平臺，提供產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新研究，提升島內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、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、硅基板/SiO2/SiNx與PDMS微流體通道接合技術等整合微影、蝕刻及電漿表面處理等制程，可應用于微混合器、生醫分析芯片、微生化反應等相關領域微流體芯片的制程研究需求。

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

重要研發成果

早在2004年，該實驗室就以自行研制的前翼懸臂導電探針，成功開發出非光擾電性掃描探針顯微術，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，開發出第一個16納米功能性靜態隨機存取存儲器（SRAM）單位晶胞。應用此技術，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）上正式發表。

此外，該實驗室還發表了另外3項16納米元件關鍵技術，包括納米噴印成像技術、320度低溫微波活化與N型鍺元件研究。相比于一般傳統微影光學成像技術，納米噴印成像技術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象，為16納米以下世代半導體微影成像技術提供新的選項。此技術由于機臺構造簡單，可輕易突破傳統光學微影成像在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新。該實驗室還首度成功將傳統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鍵技術，以實現電子產品輕薄短小的需求。

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及材料分析的研發平臺，并完成三項重要技術指標：有機硅太陽能電池及OLED（有機發光二極管）等光電元件研發平臺，可在手套箱內嚴格控制水氧的環境中進行涂布、烘烤、及封裝等制程，并連結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，對島內再生能源技術開發具重大意義。

臺同在2010年，臺南分部納米元件廠首度開發出低溫140攝氏度電晶體整合型太陽能電池技術，采用全世界首創高密度電漿沉積低缺陷薄膜技術，開發出效率突破9.6%，電池光照后僅10%的轉換率衰退，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。此開創性研發結果對發展自供電力電子電路、多功能顯示面板等綠能產業應用將有極大助益。2011年，該實驗室又研制出導入銀、鍺兩種新元件材料，并將被動的元件節能科技提升為主動的自供電力線路模組的內建硅基太陽能電池元件。10納米元件技術，采用銀金屬直立導線技術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行的鎢金屬，可減少70%的電阻，并實現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鍵。

2013年，該實驗室研發的多重鰭高的鰭式場效電晶體制程技術，可在同樣面積上增加約2000萬個電晶體，使各類電子產品的存儲容量增加20%，或降低制造成本20%。他們開發的積層型三維集成電路技術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，因每層厚度僅為傳統技術的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鍵的低雜訊放大器。

該實驗室還在2012年開發出納米生醫檢測芯片——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檢測都要經過打破細胞，然后取出里面東西放大，經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分鐘以內檢測出敗血癥。