新世纪对材料和微电子的挑战

发布时间：98年11月27日

张立纲

今天，我主要想先和大家讨论一下，微电子目前的发展现状及其下一步的走向。我想特别指出的是，往往一些在科学方面的很小的创新，就可以对技术的发展有非常大的影响，尤其是在材料科学方面。第二点我想讲的是，科学通常是领先技术的。就材料科学而言，现在材料越做越小，这不仅对微电子，而且对其他很多方面的技术都有影响。第三，大家都在讲技术转化为产业，然后科学转化为技术，其实这些说起来容易，做起来是非常困难的，事实上不仅困难，严格讲起来从某些方面而言，科学和技术这两者甚至有些抵触。如何来解决这些问题，是我们大家现在需要共同努力的目标。

现在全世界都公认所谓高新技术有三大块，第一个是信息技术，第二个是生物技术，第三个就是高新材料，当然还有能源、环保技术等等，但这三样几乎是全世界公认的。

图1

图1左边的是高新材料，这是根据美国国家科学基金会（NSF）的分法。高新材料大概分9种，从生物材料、陶瓷材料、复合材料，一直到超导材料。而信息技术也是一个包罗万象的东西，从通讯、计算机、微电子、多媒体、网络一直到软件统统在里面。我今天要讲的只是我打黑点的两个，这两个东西有非常密切的关联。材料里面我主要讲的是电子材料，而信息技术中谈到的是微电子。当然这两种技术关系非常密切。其实我刚刚讲的三大技术：信息技术、先进材料、生物技术这三样东西也有某种程度的关联，这种关联是什么呢？就是它的规模（scale）。（图2）如果你把这三样东西的scale划出来的话，你会发现这三块都在发生着从宏观到微观的变化。材料中，最大的是系统材料，然后变成块状材料，再一下就是芯片、薄膜，现在进一步做到纳米材料，从10⁰一直到10^-9。微电子器件从一开始的真空管、晶体管，然后慢慢地发展到集成电路，再往下去就到原子了。生物学也是这样，从人体、眼睛、头发、血球、病毒到DNA。

图2

所以看起来这三大科技，用这张图一看是非常有关系的，现在材料科学已经做到纳米结构层次，而电子学还有两个数量级可以做，生物方面进展当然也很大。

今天做的集成电路和病毒刚好是在一条线上，大家现在不是常常发现集成电路有病毒吗？我想大概这两者有一点关系。

微电子的现状及走向

30年来，芯片所含晶体管的数量增加了大约100万倍，为什么变化会这么快，当然原因很多。不仅是体积越变越小，而且其他的许多方面也同样发生着变化。

图3

图3是美国半导体协会（SA）列出的一份“道路图”（Roadmap），从1998年到2010年在微电子器件方面的进展。刚才我讲的就是这个电路元件有多少个，现在大概是256，到2010年就会到64 G，不仅这样，同时Cost/Bit也越变越便宜，现在大概是7个美分，到2010年是0.2美分。当然下面这个数字更精彩，也就是说今年如果你想建一家工厂，一个普通标准的微电子工厂，大概需要15亿美元，到2010年大概要150亿美元左右，所以这个影响很大。是不是所有人都应该做这件事（办厂），而且要用多少钱来做心中都要有数，因为一旦投资进去，以后你就非要在这条路上走下去不可，这是没有办法的事情。所以哪些地方应该做哪些事情，实在是值得考虑的。一句话，大家应先想想自己口袋里有多少钱，再决定是不是要做微电子这件事。

那么，为什么微电子技术多年来会以这么快的速度在进步，当然其中有很多原因，但最主要的是技术一直在进步。

图4

图4是有关技术复杂性的排列。从设计开始，一直到工厂里的集成度都一直在沿直线方向进步，但是其中有最重要的几点我划了黑，第一个就是光刻，就是做半导体芯片的技术。你先要用光的办法，放一样东西上去然后用光照，因为这东西可以越缩越小，速度也就越来越快。光刻是这里面最重要的一部分，但是做到后来你会发现一个大问题，即一旦尺寸达到饱和时，那些原先似乎微不足道的连线就会成为很大的问题，连线的连接方法将直接影响元件。这是一个很大的问题。当然我刚才又谈到材料，材料的进步也是导致它突飞猛进的一个重要的原因。

图5

我现在先来讲光刻（图5）。从图上可以看出，我们现在在1995吧，现在我们做0.5个μ现在用的激光大概是247，即200多个纳米。将来是否能越做越小，很大程度上与光学有关，如果你用的光的波长和你想做的东西的大小差不多，就会产生一种干扰现象，你就不可能做下去了，所以做到0.25个μ已经到头了。下一步做什么？这在以前不是问题，以前只管做小，越做越小，多少年来就一直沿着这一个方向在搞。到现在为止，这个激光有248个纳米，再下一步呢？可能有193个纳米，可以再做到0.18μ，再往下问题就来了，因为没有很合适的光源，而且再做小下去会引出很多其他的问题。所以就有一些科学家想下一步可能是用X光，再下面呢？可能X光也不行，要用电子束或者用离子束，但到最后呢？大家知道，我刚才说到2010年，到那时至于用什么东西，现在没有人知道，大家都在猜，而且每个人都在发展。所以你要抄别人很容易，因为别人做什么，你就跟着做什么。但是如果你要想真正做自己的创新技术是很困难的，因为要花很多钱做这东西，最终只有一样东西成功，但是你又不能够只做一样东西，你要什么都试着做。但是不管怎么样，到目前为止，光刻是多少年来微电子领域能一直进步的很重要的原因。

只有创新才能进步

另外一个问题就是连线的问题，我只想指出一点，以前连线做得很大的时候（0.6个μm），由于追求越快越好，就希望这个延迟线越小越好。延迟线有两种，一种是装置的延迟线，另外一个是连线本身的延迟线，以前连线做得很大的时候，连线的延迟线非常少，根本不在乎，没什么关系。可是慢慢做到0.25μ的时候，情况就不一样了，你会发现连线的延迟线比装置上的延迟线来得更大。再往后你要做到0.1μ的时候，这时用的延迟线就完全限制了你的装置，再做快没用，连线拖了后腿。所以在去年，就有人提出用铜来代替铝，而且将原本二氧化硅的绝缘体改用一种介质常数更小的材料——铜。这一变就导致了截然不同的效果。铜比铝小很多，所以它整个的延迟线就缩小了近4倍，这个变化太大了。像这种东西，其实大家都可以做的，所有人都知道为什么铜比铝好，首先铜导电导得快，而且它也没有电泄漏，也不会跑到别的地方去。那么当年为什么不用铜，用铝用了那么多年，为什么呢？因为铜有它的问题，它在硅里面会造成杂质。一旦克服了这一缺陷，事情就完全改观。其实这种事情上海、台湾都完全有可能做的，但是最初做出来的还是美国几家大公司，事实上是IBM和摩托罗拉公司同时做出来的。是因为别人不做，所以也想不到去做，而且你也不愿意花这个本钱做。然而正是这么一点点小的改变却产生了那么大的影响，现在大家都在抄，都在跟着学，所以当你没有自己的创新科技，你就只能永远跟着人家后面跑。以前的集成电路看起来是一片灰白，因为都是铝制品，现在看起来是一片铜黄，看不到铝，统统是铜。再往下去，铝在这方面就无立足之处了，所以说小小的技术，影响非常的大。

另外，讲到高介质材料，迄今，我们用的材料都是硅、二氧化硅和铝，一直就用这些东西，我刚刚讲铜已经出现了，另外一些就是绝缘体。绝缘体都是二氧化硅，二氧化硅介电系数非常高，会影响速度。将来会有很多不同的材料出现，其中包括有电子材料，还有铁丝材料，还有小的电子材料，大概从2000年到2010年都会出现，这里我就不细讲了。如果你是在搞材料，而且又是在做集成电路的话，这方面你要花多少的力量来做这个研究，得仔细斟酌，因为最终只有一个可以成功。所以大家知道，做前沿性的研究而希望能够成功，并且真的能应用的话，是要花很大力气的，而且有很多风险，因为大部分是失败的。这方面科学和技术不一样。科学上可能好几个同样有价值，而技术最后常常只有一个有价值，其他的只能丢弃，所以大家必须要想到这一点。

现在，大家对器件做小都很有兴趣，但小到最后会怎么样？现在的半导体里，每一块有好几个原子在里面，越做越小做到里边只有一、二个原子时，就会出问题了。所以无论从哪一个角度看，到2010年都动不了了。最初在60年代时，大家觉得不在乎，2000年还早得很呢，还有40年呢！现在你看时间快到了，马上就到了，到2010年怎么办呢？所有东西都动不了了。所以器件越做越小下去是一定会出问题的。

有人就说要想新的办法，比如说用光学的办法，整个用光的办法来算。也有人说用人的神经的办法或者就用纳米结构的材料，用另外一种方式来做小。现在当然说法有很多，但不管怎么样大家都开始担心这件事情。但还有一些人说，那也没有什么好担心的，到时候停就停了么，就像汽车一样，汽车其实二、三十年来没有什么变化，对不对？就是坐得舒服一点啦，里面装潢漂亮一点啦。为什么硅的东西一定要每隔3年就翻番一次，为什么非要这样？不一定非要这样。你可以说这是比较悲观的说法，也可以说是比较乐观的，就看你怎样看这件事了，不过一般人还是希望能继续往下做（图6）。

图6

大有可为的纳米科技

我刚刚说过，材料科学中最有兴趣的部分就是所谓纳米材料。有很多种办法来做纳米材料，其中有一种就是把半导体一层一层叠起来，每一层都得非常薄，这是一种方式，当然还有许多其它的方式。其中一种是用碳的，大家做得最多的是这种。大家知道，碳有许多好处，单产率可以更高，速度可以更快，而且你可以控制它，控制起来也比较容易，这就是现在大家对此比较感兴趣的原因。

另外，我刚才说了科学总是走在技术的前面，将来有朝一日，我们可以用单电子晶体管，每个电晶体里面只有一个电子，也是一层一层的。现在做材料的人也希望用纳米的办法，将来说不定目前以硅为基础的技术可能被这种方法来代替，或者说至少有一部分可以用这种方法来做。当然这种东西已经做了有些年了，但是目前大家认为很有希望。

当然纳米这个东西，不光是在材料方面，我想在很多领域里面大家都在用。所谓纳米技术，我刚刚讲了一些例子，譬如在材料方面、电子方面，甚至现在在机械方面，我想田长霖教授他们也在做了。最近在生物方面，大家也用纳米来做。譬如制药，以前是很笨的随便的办法，就是先做一些，看哪个行，哪个不行，这种办法太慢了。现在就用纳米技术来制药，一下子快了很多，因此讲，纳米技术在生物方面也是很有希望的。

图7

一般来讲，纳米技术至少包括四个部分（图7）。第一部分是材料，第二部分是电子，第三部分是微型机械，第四部分是生物学。这整个的东西都是纳米科技。所谓的纳米科技，不光是指科学，而且包括它的技术和工艺，譬如怎么样把东西越做越小？这是很重要的一件事。

科学和技术的关系

以下我讲第三个题目，谈一谈科学和技术的关系。

我刚才讲得很清楚，科学是领先在技术前面的，我举了光刻的例子，我们再回过头来看一看现在光刻的发展。现在大家常常提到大学和工业界的联合，这个联合其实差得远了。这是0.25个μ这到将来2010年是0.1个μ这是大家努力的结果。当这个东西一旦到生产的时候，就只有工业界在做了。但在这未来的2010年，将来可能只有学校在做，没有别人在做。要把科学转化成工业技术，谈何容易！当然东西越小可能还比较容易，像光刻这样大的领域里面，最初你先做研究，然后形成一些观念，这些观念可能有多种多样。最后你要有相应的技术，如像哪一样东西，你猜想大概有希望，然后就把这个东西缩小，最后才是制作加工成产品，所以整个过程要投入大量的钱和时间。让我们再看看是什么人在做？当年美国的半导体工业被日本人打得很惨的时候，他们成立了一个由工业界、大学和政府组成的委员会，非常成功。这一部分，现在最重要的是他们来做。这一块又分两部分，一部分是工业合作组织，就是工业界中大公司既可以自己做，也可以出去成立很多不同的技术开发中心做；另外就是政府行为，也可以是政府的研究机关做，或在政府的实验室做，也可以是政府在学校里成立各式各样不同的中心。所以我们在谈论把学校的成果扩展到工业界的时候，这种协作联盟千万不能忽略，要有大公司积极参与。一定要想办法把这两者联系起来，否则谈从科学到技术是不切实际的。

科学转变为技术、产品的困难，至少表现在以下四个方面：（图8）

图8

第一个，大家没有了解到中间缺这么一块，现在我想大家渐渐知道了这件事情，所以这件事不是问题。第二个，就是投资贷款的方式。我最近在台湾待了一段时间，他们那里学校给的钱是做研究的，主要是教育部和国科委给的钱，而产业工业是经济部给的钱，这样，中间的人没有人给钱。第三个，是缺乏相应的组织形式，你就算有钱给，也不知道给谁，两面做的东西都不一样。最后一点其实也是我们自己的问题。

图9

由图9可看到，搞科学的人和搞技术的人的想法完全不一样，这也是个大问题。他们之间到底有什么不同的地方，我稍微一想，这两批人确实完全不同。首先，我们都知道做科学的人，就是要靠知识驱动，什么都要知识；而做技术的人，则需要有应用来驱动。第二个，做科学的人动不动就问为什么，为什么，为什么；但做技术的人关心的是，干什么，干什么，干什么。第三个不同，做科学的人就希望我一定要第一个，做得坏没关系，只要第一个就行；做技术的人则相反，对他来说，第二个，第三个都没有关系，只要做最好的。做科学的人希望每次实验的结果都是大吃-惊、没想到的事；做技术的人就希望能重复，每次都能重复，没想到结果那还得了？否则就不是技术了。做科学的追求的是突破，而做技术的人有时候当然有突破，但是最重要的还是递进的进步，小小的进步。所以做科学的也好，做技术的也好，两部分人的观念都要改，当然改起来不太容易。现在台湾正想成立一个机构，以期从根本上把这两部分人合起来。

图10

图10就是我们最近在台湾想成立的这样一种科技与工业结合的机构，这当然是一组，这边很大一部分是大学的人，当然也有科学院的人。我划了两个圈，假定这边是科学，这边是技术，而这边是工业，包括一些研究所，像台湾工业研究院，台湾工研院对台湾科技贡献非常的大，它基本上是和工业界直接发生关系，而并不是真正做创新技术的，所以中间的空隙非常得大。我划虚线是干什么的？虚线是偶尔会有一、两个个人，能够从这个领域跑到那个领域，也有成功的例子，但是既不有效，也形不成气候。所以我们最近就成立了一个应用科学和工程中心，希望把学校整个的力组合起来，但是一定要有产业的目标。

我想最后如果要总结二句的话，那就是 :以硅为基础的荷电子时代的历史性辉至少可以维持到2010年；纳米材料和处理方面的进步将开辟以纳米为基础的电子学、光学、机械学和生物学；在科学和技术之间需要架设一座双向互通|的桥以更好地利用所有将出现的激动人心的机会。

张立纲教授简介

1963年毕业于斯坦福大学电机及电子工程系；

除短期任教于麻省理工学院外（1963-1969），一直在国际商用机器公司华生研发中心从事半导体物理、材料及器材研究开发工作近30年。回国后任香港科技大学理学院院长及物理系教授（1993-1998），现为该校教授。

张立纲先生分别是中科院外籍院士、“中央研究院”（台湾）院士、美国科学院士、美国工程院院士、香港工程科学院院士。