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关键材料研发的新典范

  • 林育中

用AI寻找适合的材料组合以及方法以开发元件关键物质,是目前最前瞻的开发方式。法新社

我刚入半导体业界时,施敏教授的教科书《VLSI Technology》自然是必读的。元件物理我还学的来,但是对于半导体制程总是抱著那么一丁点的不以为然。譬如说制程温度为什么是375°C而不是350°C、制程时间为什么是35分钟而不是40分钟?这全叫「recipe」,精确的工程流程却叫食谱哪里!对我而言,recipe就是盐少许、葱一把的约略概念,全凭经验,数据就是从穿插在量产批次中的工程批(engineering lots)中分批再分批、多次、多样所采得的经验值,但是无由预测,也很难理解。

4、5年前我帮博士班毕业生写介绍信到晶圆厂任职,晶圆厂的人半信半疑:学数值计算的人管用吗?毕竟没在凝态物理实验室动手做过。但是时代改变了!

2019 IEDM第一原理计算(fist principles calculation)现在也独立自成议程了!议程叫Modeling and Simulation-Ab initio Simulation of materials, devices, and interconnects。这是产业界对于材料研发的典范移转,而且不限于半导体的材料与元件的开发应用,其它产业亦如此。譬如面板产业OLED的髙分子发光材料、制药等的研发,也都是依靠类似的方法开展。

这新物质研究体制最底层的基础就是第一原理计算(first principles calculation,或称ab initio calculation),将物质的原分子、晶格结构等数据键入程序,利用最基础的量子力学薛汀格方程序以及密度函数理论(DFT;Density Function Theory)来计算材料的能带,举凡材料的电、磁、光、热、声、压等性质都可以预测。因为是从最基础的薛汀格方程序开展,所以叫第一原理。获得这些基础的物质静态性质后,进一步利用非平衡格林函数(NEGF;Non-Equilibrium Green’s Function),物质的动态性质如电子、自旋的传导性质等也可以计算、预测。由于现在的计算能力十分充沛,材料的研究有时候第一原理计算的结果往往先行于实验,而且省下了过去以工程批来获取材料、元件、制程参数的开发成本和时间,在工厂中也减少了恼人的工程批搅乱量产秩序问题。

此次IEDM独立议程中的邀请演讲即是以第一原理计算方法解释在铁电存储器中,二氧化铪(HfO2)如何由髙能量晶相退火(anneal)到具有铁电性质的正交晶相,以及在ReRAM中二氧化铪周遭环境如何影响它所形成导线的导电性,这自然是制程参数和元件设计的重要知识了。只是现在不来自于工程实验的盲目试误,而是可以事先以计算机计算、预测、理解的。

再上一层的雄心壮志是类似建立周期表的工作,只是目标不只是区区百来个元素,而是所有的化合物!这类的工作现在叫材料基因图谱计划(MGI;Materials Genome Initiative),这名字是仿效2000年左右生命科学家为人类两万个左右基因完整定序的努力,要找出所有化学物质的各种性质。这类计划美国先启动,中国大陆也随后加入竞逐,目的在提供他们产业界所需要的各种材料信息,大幅缩短基础研究到产业应用的时间落差。实际上它已开始发生作用,现在半导体所试用的二维材料在4、5年前都还是科学期刊的热门题目。但是经由系统化地毯查找的威力,基础科学的研发已经可以迅速转变成工程技术。

其它国家虽然没有类似美、中的庞大人力、研究资源,但也都集中力量于一特定区域,譬如欧盟有计划的研究三元化合物(ternary compound),就是三种化学元素所组成的化合物,目的之一是寻找可以替代稀土族元素,以避免稀土材料供应受箝制;而新加坡原来的石墨烯研究所现在正名为二维材料研究所,目的就是藉其超级计算机的计算能力和其材料实验室,穷尽研究一千多种二维材料的性质。台湾的人力和资源没有能力独立完成类似MGI的计划,但是可以和其它国家合作分工,建立共享资料库,以免在以材料研发日益重要的产业处于落后地位。公司和小经济体要有自己的存活认知,借助分工合作以扩大规模经济是常用的办法。

再上一层的的是利用AI来寻找合适的材料和组成。工程往往有许多的特性参数窗口,这些参数之间往往需要取舍以满足元件最后特性,或者以工程的手段譬如掺杂、界面处理、异质结构等方法来优化材料。以AI的方法在MGI资料库中寻找适合的材料组合以及方法以开发元件关键物质是目前最前瞻的开发方式。那么,台湾的厂商AI了没有?

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。