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半導體微影製程急先鋒

陳正方博士從矽谷闖天下

文/蘇美玲

1970年代後從矽谷起飛的半導體產業,將台灣推向全球的關鍵地位,並帶給台灣經濟快速起飛的貢獻。而至今若回顧半導體產業對台灣的影響,多是聚焦於當時科技政策推動者或大型企業家的遠見,鮮少注意產業技術中那群投入生命、尋找生產最佳效能的創新工程師。如長期投入光學成像技術的陳正方博士,便是台灣半導體製程發展的重要推手之一,他對研發從無間斷的熱情,一方面見證台灣晶圓進程的成功,一方面也歷經創業的自我挑戰。對陳正方而言,從技術專業到技術創業,最根本的仍是技術,以及找出解決問題的最佳解法。

攝影為始半導體製程科技為用

「我第一個成功的客戶是台積電。在台灣生長的我,當然先把技術帶回了台灣…」

年幼時就喜愛攝影的陳正方,因家人鼓勵,以及自我發覺對攝影器材內的顯影成效備感興趣,自大學畢業服完兵役後,就赴美國紐約羅徹斯特理工學院(Rochester Institute of Technology)進修光學成像工程學位。當時化學顯影成像技術遠較數位成像商業化成熟,但從數位成像領域技術的早期認知,埋下日後技術開發與創業的種子。自紐約畢業後,即受聘來到矽谷。之後8年親身歷練了製造中央處理器(CPU)及靜態隨機存取存儲器(SRAM)芯片所採用的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程技術。在1991年加入一家新創公司MicroUnity積體電路的研發團隊,參與當時野心甚大的中央處理器0.35微米製程的研發。當時資訊科技業界仍受限於未能突破0.5微米的製程開發,必須要能突破由汞燈照明之紫外線(UV)光源波長限制,或是延伸傳統光罩效能。美日業界競爭開發由日本廠商領先的光罩像位移技術以及美國IBM的深紫外光(DUV)之光源技術。後來深紫外光在1997年由荷商ASML先行推出曝光機而勝出。但是要在1995年之前,就先開發出0.35微米微影製程,必須自行另闢可用之生產技術。

「我當時的任務就是要由汞燈紫外線光源波長0.365微米照明下,使用傳統光罩做出0.35微米製程。可是因為在次波長光照明下,存在著嚴重的光學鄰近效應的現象,使得互補式金屬氧化物半導體之積體電路線寛嚴格要求的生產控制下難以做到。「因此我想出了一個方法稱之為光學散射輔助線(Scattering Bars),來解決線寛控制的問題,也成為我的第一個發明。」陳正方並且和合作的光罩廠商開發出該類型的傳統光罩,有別於當時業界熱門的相位移光罩。但當技術成功研發並商業化之際,公司資金用罄只好經營調整,其中,於1995年時將陳正方的技術成果分拆成立了新創公司,而該技術成為子公司行銷與銷售的賣點。這是陳正方第一次創業,但也必須學習從技術轉為行銷;因本身來自台灣,在因緣際會下便將技術引進台積電,終於被採用進而成為台積電晶圓製成優化的重要合作夥伴。事實上,取得台積電的合作一開始並非順利,而是在實質上積極的投入了2年經營才開花結果。因此陳正方研發的光學散射輔助線式的光學鄰近效應校正技術獲得量產認定,而這2年同時也領導團隊,累積了數份的專利資產。

追求技術超越奠定二次創業根基

「配合後來發明的衰減性相位偏移光罩(Attenuated PSM),再加上我的光學鄰近效應校正技術,深紫外光微影量產製程便從 0.13微米採用氟化氪(KrF)光源,在2002年推進到0.09微米(90奈米)氟化氬(ArF)光源,遠超越了90年代日本廠商當初領先研發交替式相位偏移光罩(Alternating PSM),但是始終未能達成量產的工程技術目標。因而再次推進了積體電路摩爾定律進程。」

台積電正式採用技術並上市後,技術成果逐漸發酵,隨後IBM也跟進,起初IBM認為光學鄰近效應校正技術只是輔助,最後卻發現,缺少了這個輔助效果即無法量產。同時,透過與台積電合作的過程,陳正方與團隊被生產曝光機器的荷商ASML看中並收購;ASML的著眼點是基於如欲實現下世代的lC摩爾定律進程,必須解決光學鄰近效應校正的技術問題。才能更進一步推廣其深紫外光的曝光機。而光學鄰近效應校正恰是最佳的光學成像優化的輔助技術。而且陳正方與團隊也及時開發出延伸該技術使用到多種相位移式的光罩上,尤其是深紫外光加上光學鄰近效應校正,再加上一般衰減性相位移光罩(AttPSM)是一最完美微影成像優化工程組合。在ASML服務時,負責矽谷營運自主分公司的副總經理,主攻母公司微影鏡頭解像力的優化技術業務。陳副總經理與其團隊接續解決了許多客戶需求與問題,客戶除了知名台商的台積電、聯電,以及DRAM廠商外,並且涵蓋了北美、法、義、德、日、韓所有積體電路製造業知名廠商。半導體業界前23名大廠家均獲授權相關專利。

除了陳正方與團隊開發與持有的專利為ASML帶來可觀的市場獲利,其優化成像完美組合,使日本的尼康(Nikon)及佳能(Canon)兩家曝光機競爭對手無法在先進微影曝光機市場競爭。導致佳能退出市場,並使尼康從市場龍頭變成追逐殘餘市場的公司。2006年,尼康與ASML專利互訟案和解,應尼康要求ASML決定將陳正方團隊的成像優化技術授權,作為交換尼康專利條件之一。Intel是最後接受授權的超大型lC製造公司。在ASML服務的九年中,從深紫外光到浸津式(immersion)的微影製程不斷推進,陳正方及團隊的成像優化技術就是基於光學鄰近效應校正活化應用。成功的推進了積體電路摩爾定律的量產製程。但在2007年,智能手機含高像素數位化相機的崛起,觸發了陳正方應用數位微影製程的靈感。陳正方決定從一個已經奠定在ASML公司之優越禮遇下,急流勇退。再次捲袖走上了二次創業的過程。

走過創業資金窘境後的柳暗花明

「很多老美都喜歡開發尖端的科技,而我比較喜歡真正能夠量產的技術,我的觀念是,能夠應用到生產線上,才是實用的技術。」

2008年7月,陳正方從矽谷回到台灣,思忖如何將數位式的微影曝光機應用到面板產業;與美國思維不同的是,美國喜歡發展最尖端的技術,但陳正方認為,能夠被企業採用上生產線的才是真的實用技術。帶著極務實的創業想法,由妹夫洪先生介紹台南吳董結識並獲得資助,於12月取得第一筆50萬美金的草創資金,加上結識了工研院北美公司王韶華總經理,轉介了許多可行的資源,於2009年又與工研院微影像中心(Display Technology Center, DTC)的程章林主任結識並氣味相投而合作,進行產品研發與原型機製造;2010年原型機在工研院北美公司成功研發與組裝,並運到竹東工研院DTC研發工廠內進行測試成功。同年亦獲邀成為國科會海外伯樂計劃成員之一。

比起積體電路業界所用的6英吋(150厘米)的光罩,面板製程相對需要更大的光罩,以第六代(Gen 6)基板來製做的iPhone智能手機面板,其光罩可大至0.9米X0.75米左右,甚為可觀。更有巨大的光罩成本費用。陳正方團隊研發出之數位式成影曝光機,就是針對解決面板業之微影製程成本最大的困難。「本來我想取名為DL 或Direct Lithography,意思是不需要經過光罩的投影技術,後來確定Digital Lithography數位式微影製程較為貼切。因為本項技術就是需要採用超大型同歩數位式的運算伺服主機達成光學成像的目標」。但是,想要找到高品質的台灣本土鏡頭製造商並非易事,因此無法達到原來預期的光學成像效果,正準備改變面板應用的策略時,工研院轉介的北台灣某科技公司表示願意投資該技術,來輔助其電路板製程的曝光機。加上原本的台灣親友及該科技公司提供了第二輪資金。但陳正方感嘆,台灣軟體與光學的跨領域人才難覓,加上原有團隊的人力不足,在軟體控制的開發上不盡如意。二次創業的經驗比起第一次時的順利竟然是有天地之別。二輪資金很快就花光了。

面對資金難覓的困境,為了發薪水把自己的存款用盡,也把在矽谷的房子押給了銀行,換成了一屁股的債務。幸虧有個賢慧內助,夫妻倆常一起自嘲也許有一天需要一起去撿塑膠容器換錢度日。幸虧有長輩親戚不時的杯水濟助,而不致斷炊。「我覺得創業最困難的就是錢的問題。創業點子(Idea)事實上很早就有了,但是說到實現的過程,真是不堪回首啊!」陳正方承認,雖有親朋貴人相助,最大的支持是一路走過十數年幾位相互信任研發團隊成員,曾經半年都發不出薪水,最後才又回到美國尋找資金。在碰到無數的矽谷及中國大陸創投公司各樣式的軟硬釘子後,陳正方二次創業幸運地又遇伯樂,於2014年8月由美國應用材料公司(Applied Materials)收購退場。

如同矽谷多數投資人以團隊特質為考量指標,陳正方認為,科技開發是一種眾志成城的過程,不是說單單一家公司或個人就能做出成果來,而「熱情、活力、具堅強信念、有智慧、並能承受不斷挑戰的團隊」,是其創業歷練最珍貴的資產。*


陳正方博士(左三)與領導團隊進行數位微影曝光機產品研發與原型機製造,透過工研院北美公司王韶華總經理(左一)協助,於工研院北美公司研發及成功組裝並運到台灣工研院微影像中心研發工廠內進行測試。

陳正方博士(右)與夥伴Tom Laidig(左)透過其研發之原型系統設計,初次於黃光無塵室中生產微影圖案(Lithography Pattern)。


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