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首創「磁電子學」概念,物理新發現的喜樂是最強的動力!——郭瑞年專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/03/08 ・4093字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

 2015 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第八屆傑出獎得主

  • 郭瑞年現任教於清華大學物理系,她被譽為台灣凝態物理權威,也是台灣半導體材料研發先驅者,致力於創新高介電值介電材料,成功研發取代傳統矽基半導體的電子技術。她自台大物理學系畢業後,赴史丹佛應用物理系攻讀碩博士,之後便在舉世聞名的貝爾實驗室從事研究長達 22 年,直到 2003 年回台任教。

「我準備了一份 PowerPoint 簡報,來讓你們好好認識物理。」還沒開始採訪,就已經感受到郭瑞年對物理如夏日豔陽般的熱情。在這一頁一頁的簡報與一來一往對談之中,以她四十年的科研歷程與物理學知識為經緯,交織出了這位科學家一路走來求知求真的精彩旅程。

郭瑞年對於物理的熱情溢於言表,也感染了周遭的人。圖/劉志恒攝影

見證新發現,是持續研究的最大動力

長年遊走在擬態科學的奇妙世界,由低溫超導體開啟旅程,郭瑞年的研究題材涵括了磁性超晶格、高溫超導體、透明導體、奈米電子學、自旋電子學與拓樸絕緣體。她在 1981 年畢業後,進入了科學研究的重要殿堂——貝爾實驗室,在此展開了「磁性超晶格」的相關研究,成為了「磁電子學」的開創者,此概念為 2007 年諾貝爾物理獎「巨磁阻現象」發現的重要基礎。

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若能將材料縮到奈米尺度,磁性是不是會出現改變?而如果人為可控制磁性的奈米材料,對科學界來說會是很重大的突破——從與同事聊天中得到的靈感。郭瑞年於 1983 年正式啟動相關研究:將磁性材料與非磁性材料像千層派那樣相互堆疊,每一層的厚度控制在原子層級,並對這樣磁性與非磁性堆疊而成的「磁性超晶格」進行實驗和觀察。頭兩年的研究並沒有很順利,測量出來的結果有些難以用既有的物理規則解釋。

為了釐清這「違反常理」的結果中間有何玄妙之處,郭瑞年聯絡另一位物理學家,進行中子散射實驗和分析,發現「透過非磁性材料層產生長距離磁耦合,由此改變磁性材料層的磁性方向」一個嶄新物理的機制,而這現象會受溫度影響:在室溫下的耦合力相對弱,在低溫下則會變強。 這物理機制便奠定了後來 1988 年法德兩位科學家 Fert and Grunberg 所發發現的巨磁阻效應(Giant Magnetoresistance; GMR)的重要基礎。

很多人形容郭瑞年與諾貝爾獎擦身而過,不免讓我們好奇她是否感到遺憾?郭瑞年揮揮手笑著說這個問題很多人問過。她表示雖然多少有遺憾,但發現一個超乎想像的嶄新物理現象時,「那種興奮感跟喜樂,是只有親自從事實驗的人才能體會出來,那是非常非常寶貴的,終生難忘!」而那才是真正帶動物理學家持續探索前進的動力。

郭瑞年認為,物理發現帶來的興奮與喜樂是令人難忘的動力。圖/劉志恒攝影

除了磁性超晶格,「前瞻」亦為郭瑞年其他研究的共同特色。1986 年年底,震驚世界的高溫超導體被發現,郭瑞年隨即展開相關的研究,成功製造了單晶高溫超導薄膜,進行尖端超導特性研究。

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1993 年團隊開始進行奈米電子學的研究,最重要的主題即是尋找可以取代矽晶,讓積體電路體積進一步縮小,並減少耗能的材料。在這個主題上,砷化鎵的電子遷移率較矽高上很多倍,有機會成為適合的替代品。但是相較於矽,這類由元素週期表上的三族與五族組成的三五半導體的氧化物表面容易有缺陷,很難發展成電晶體。郭瑞年自稱幸運,和她的先生洪銘輝博士合作,成功發現了適合的鎵釓氧化混合物,可做為砷化鎵的表面絕緣氧化層,並首次製成了三五半導體之場電效應電晶體。目前市場上已出現這類「第二代」半導體應用,特別是目前在 5G 通訊上急需發展的超快科技,可取代目前面臨極大瓶頸之矽半導體技術。

Prof. Kwo and Prof. Hong, 1983, in front of the main entrance of the Bell Lab, Murray HIll, 1983.  source: 受訪者提供。

然而當年砷化鎵曾經相當不被看好,為什麼仍然選擇這個主題?郭瑞年表示,這就是選擇研究主題的前瞻性:「從開始做研究最後到真的放在桌上可以用,這中間可能是三十年或四十年的時間」,完成重要探索、獲得成果直到應用,這中間要克服無數細節,但新科技也就因此才得以發展。」

郭瑞年目前專注的尖端研究在自旋電子學領域,她解釋,電子在導體裡彼此碰撞的現象會造成能量流失,現今科學家正嘗試開發出能有效利用電子自旋分流特性的新穎量子材料。

與物理的浪漫長跑中,熱情始終不減

郭瑞年對物理的熱情從學生時期開始,她從小就喜歡數學,也表現得相當好,在國中時遇見了一位女性物理老師,這位老師把物理解釋得清楚明白,郭瑞年學得熱血沸騰,更自願擔任班級的「物理小老師」為同學們解惑,樂此不疲,成為了她日後投入科研的契機。

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郭瑞年分享了自己的研究和生命故事,言談間對物理的熱情表露無遺。圖/劉志恒攝影

大學進入物理系繼續探索,郭瑞年微笑且自信地說自己是個自動自發的人,無論光學、熱學、力學,都超前了授課進度,將自己完完全全浸泡在物理世界中。她強調預習的重要,認為若能課前預習,正式課程便如同複習,如此一來,考試時就輕鬆了。

求學階段磨練的一身本領,到貝爾實驗室後終於大展身手。郭瑞年形容,貝爾實驗室就像金庸武俠小說裡的江湖門派,一公里長的走廊兩側都是實驗室,每扇門後都是一位身懷獨門絕招、內功高強的異士,各式儀器、奇思怪想漫盈整座貝爾實驗室,裡頭的科學家日以繼夜鑽研「武功」、投入研究。郭瑞年說:「每天走進去,都能聽見(自己)心臟『砰砰砰!』的聲音。」懷抱對物理的喜愛,郭瑞年在貝爾實驗室,日日皆滿腔熱血,一刻不減。

貝爾實驗室。sourece: english Wikipedia

郭瑞年也將熱情與投入當成伴手禮,從貝爾實驗室直送回台灣,期望培養更多絕世高手科學家。早在投入高溫超導體研究的1987 年至 1993 年間,她就常往返台灣交流。一直到 2003 年貝爾實驗室大幅縮小編制,成了推動她與夫婿洪銘輝教授回台的力量。臨行前,老闆慷慨地捐贈了整套 MBE 儀器與系統,期望郭瑞年能將手上的研究技術帶回祖國,讓台灣能在此高科技產業也有好的發展,於是,夫婦二人便回國繼續從事尖端半導體元件的創新研發。

友善的社會氛圍,有助於女科學家的養成

儘管對物理的熱情至今不減,郭瑞年也坦言,即使對她來說,在成為科學家的陡坡上,仍偶而碰到澆熄滿腔熱血的冰水迎面潑來。1981 年,她剛加入貝爾實驗室時,美國東岸風氣比較保守,女性與亞洲人屬於弱勢族群,易遭不平等對待與歧視。郭瑞年在初建實驗室時,需要頻繁與工班團隊溝通,並負責監工,有段時間工班進度落後,她提醒工班經理得盡快蓋好實驗室以便開始研究,他們卻揶揄:「如果你要工程有進展的話,最好趕快開始穿裙子!」事後工班經理雖遭糾正但毫無悔意,隔天見到郭瑞年時,又開了不適當的玩笑。

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除了這般外顯的行為,無形的歧視氛圍也包圍著她。郭瑞年坦言:當時貝爾實驗室同儕以男性居多,同性之間會邀請彼此參與活動並給予專業上的建議,而居於少數的女性,則較不容易打入科學界的社交圈,也少了許多獲取資源的機會。「社交和互動的缺乏若不改善,久而久之也會影響女科學家繼續往上爬的動力與機會。」郭瑞年解釋。

貝爾實驗室後來便發起「Mentor 導師制度」,主動關心女科學家的實驗內容,互相交流不同的科學資訊。郭瑞年回台灣後,在物理學會女性工作委員會裡也推動了導師制度,每年邀請女性科學家交流,讓前輩主動給予後進學術上或是專業生涯上的建議,替走上陡峭學術之路的女科學家,增加友善的推動力。

郭瑞年認為,在資質上,任何性別都沒有先天差異;在專業方面,女科學家在各領域也都相當卓越;於制度上,漸漸對於女科學家也越來越友善。例如,目前各大學給予助理教授升等的期限約為六年,但有部分學校針對升等期間生育小孩的女性助理教授,則會再給予兩年的「緩衝時間」,讓女科學家能夠從容地規劃生育,而也能夠有餘裕經營工作。

由於台灣社會的風氣,對於「物理」的既定印象也會影響新一代物理學研究者的培育。郭瑞年觀察,因為重視產業與產值,社會大眾普遍認為,物理讀到碩士學位,就足以在職場獲得不錯的工作跟收入,並不鼓勵繼續攻讀博士。但產業工作往往無法充分發揮物理專業人才的潛力,有興趣進一步鑽研物理的人才也可能因此放棄更上層樓,錯失了更多開創新領域研究的契機。

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「有點可惜。」郭瑞年嘆息地說。

無關乎獲獎的肯定或者收入,對郭瑞年來說,單單物理新發現的喜樂,便足以充飽她不懈投入研究、以及培育人才的動力,「希望慢慢從這邊培養訓練新的年輕人才,把這個新科技在台灣深耕,為未來做基礎。」

從臺灣大學、史丹佛大學、貝爾實驗室,再回到台灣,郭瑞年讓全世界得以深窺物理法則的奧妙、加速頂尖技術發展,但在這些之外,她追求極致、無畏險阻的決心,早已超越了「女科學家」的標籤,不停歇地朝著前人未至之境而去。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

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一顆科技巨星的隕落(下)—英特爾的沒落
賴昭正_96
・2025/03/20 ・4190字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子:成功會滋生自滿,自滿會導致失敗。只有偏執狂才能生存。
-Andrew Grove(英特爾首席執行官)

話說英特爾於 1986 年冒著丟掉大客戶百年 IBM 的危險,轉向成立僅 3 年多的小電腦公司推銷其最新微處理器的賭博,得到了回報:康柏電腦公司一炮而紅的成功加速客戶對新 80386 晶片的要求。90 年代中後期英特爾更大力投資新的微處理器設計,促進了個人電腦產業的快速成長,成為市場佔有率高達 90% 的微處理器主要供應商,使其自 1992 年以來一直保持半導體銷售額排名第一的地位,於 1999 年將英特爾推上代表美國 30 主要工業的道瓊指數之一成員。

但到了 2000 年代,特別是 2010 年代末期,英特爾面臨日益激烈的競爭,導致其在 PC 市場的主導地位和市場佔有率下降。儘管如此,截至 2024 年第三季度,英特爾仍以 62% 的市佔率遙遙領先 x86 市場、更是筆記型電腦的明顯贏家(72%)。可是為什麼今天英特爾股價竟然倒退了 28 年,回到 1996 年底的價位呢(註一)?為什麼它已經不能再代表美國主要工業,於 2024 年 11 月 8 日被踢出道瓊工業指數,為英偉達(Nvidia,臺灣與香港譯為「輝達」)取代呢?

是什麼原因讓英特爾失去產業龍頭的位置? 圖/pixabay

英特爾的失足

在回答此問題之前,筆者得先指出:個人電腦到了 2000 年初已不再是一高利潤的高科技,而是一種日用商品。當初將英特爾培養壯大的 IBM 於 2004 年年底完全退出了個人電腦的市場;而避免侵權透過逆向工程、製造出第一台 IBM 個人電腦相容機的康柏公司,也在個人電腦市場的價格競爭日益激烈、及想打入主機電腦市場的錯誤政策下,於 2002 年被惠普 ( Hewlett-Packard ) 收購「消失」了。

冰凍三尺,非一日之寒。Google 的人工智慧謂:「英特爾在晶片產業落後的主要原因是多種因素」,包括:
(1)未能洞悉智慧型手機的崛起,在行動晶片市場明顯落後,錯失創新機會給高通(Qualcomm Inc.)等競爭對手;
(2)依賴過時的製造流程,未能像台積電、AMD、和英偉達(註二)一樣採用更靈活晶片設計和外包製造,來應付快速不斷變化的市場需求,導致失去了高效能運算和人工智慧等關鍵領域的市場;
(3)一些分析師認為英特爾在個人電腦市場長期佔據主導地位可能導致高階主管自滿,不願適應不斷變化的產業動態。

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筆者認為前述的(1)及(2)都是果,真正的原因只有(3)一個。80 年代,當英特爾的晶片和微軟的軟體成為快速發展之個人電腦行業的雙引擎時,公司充滿活力,專注於其在個人電腦和資料中心伺服器的特殊領域。英特爾高層曾半開玩笑地將公司描述為「地球上最大的單細胞有機體」:一個孤立的、獨立的世界。像 IBM 一樣,數十年的成功和高利潤也催生了英特爾目中無人及自大之企業文化!這種開會又開會、討論又討論、開不完的會、討不完的論正是公司成熟的標註。

英特爾企業文化

想當初英特爾剛成立時,諾伊斯只聽了幾秒鐘霍夫有關微處理器的激進想法後,就立即說:「做吧」!真是不可同日而語。又如到了 1983 年,其主要記憶體晶片業務受到日本半導體製造商加劇競爭而大大降低獲利能力時,格羅夫立即迅速地不怕「…微處理器是個非常大的麻煩」,脫胎換骨成為微處理器主要供應商━又豈是 90 年代不遺餘力地捍衛其微處理器市場地位而與 AMD 鬥爭的英特爾所能比?

事實上英特爾也曾多次嘗試成為人工智慧晶片領域的領導者,但都以失敗告終(註三):專案被創建、持續多年,然後要麼是因為英特爾領導層失去耐心,要麼是技術不足而突然被關閉。為了保護和擴大公司的賺錢支柱(x86 的數代晶片),英特爾對新型晶片設計的投資總是退居二線。史丹佛大學電機工程教授、英特爾前董事普盧默 ( James Plummer ) 曾謂:「這項技術是英特爾皇冠上的寶石——專有且利潤豐厚——他們會盡一切努力來維持這一點的」。英特爾的領導者有時也承認這個問題,例如英特爾前執行長巴雷特 ( Craig Barrett ) 就曾將 x86 晶片業務比作一種毒害周圍競爭植物的雜酚油灌木叢。

微軟 Copilot AI

英特爾能再放光芒嗎?

在一連串的機會錯失,決策錯誤及執行不力下,英特爾於 2021 年任命曾經主導其發展人工智慧晶片、2009 年離職去擔任 EMC 總裁的基辛格(Patrick Gelsinger)回來當執行長,積極嘗試透過其所謂的「五年、四個節點」進程追趕台積電。這位浪子回頭,被請回來拯救公司的基辛格於去年 4 月 25 日宣稱:即將推出的英特爾 3 奈米製程伺服器晶片的需求很高,可以贏得那些轉找競爭對手的客戶,謂『我們正在重建客戶信任。他們現在看著我們說:「哦,英特爾回來了。」』…但半年後,董事會對他的扭虧為盈計畫完全失去了信心,給了他辭職或被解僱的選擇。基辛格於 12 月 1 日辭職,現由領導英特爾全球財務部門和投資者關係的津斯納 ( David Zinsner ) 擔任臨時聯合執行長,正在務色下一任執行長。

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英特爾現在的處境事實上很像 1993 年的 IBM:在官僚體制、大型電腦利潤下滑,及失去個人電腦的主導權後,其股票從 1987 年 7 月的最高點倒退了 26 年!當總裁兼執行長阿克斯(John Ackers ) 於當年元月宣布首次下調股息 55% 及離職後,遴選委員會竟然找不到任何人願意來收拾這個爛攤子━曾幾何時 IBM 執行長還是眾人夢寐以求的職位呀!最後選委會只好推薦自告奮勇、完全外行(註四)、銷售菸草和食品的 RJR Nabisco 公司的首席執行官郭士納(Louis Gerstner Jr.)!郭士納在自傳中回憶說:重振 IBM 所面臨的最嚴峻挑戰是改變其企業文化。現 IBM 雖然不再像以前在科技界一言九鼎,但其股票已「趕上時代」屢創歷史新高,為道瓊工業指數中歷史最悠久的高科技成員(1979 年起);郭士納也被視為美國商界的偶像,IBM 轉型和重拾技術領導地位的救星。

IBM 和英特爾的股價走勢圖。圖/作者提供

股票名嘴克萊默(Jim Cramer)在年初謂:「我們需要將英特爾視為資產負債表非常糟糕的國寶」,因此有必要幫助英特爾公司渡過難關。美國政府顯然也同意,商務部根據 CHIPS 激勵計劃的商業製造設施資助機會,已經給英特爾公司提供高達 78.65 億美元的直接資助。但如前面所提到的 IBM 如何啟動發展個人電腦,錢真的是萬能嗎?英特爾能重新燃燒發光嗎?

英特爾不像 1993 年的 IBM 具有百年的歷史,各方面人才濟濟:多項技術創新和最多的專利,包括自動櫃員機、動態隨機存取記憶體 、軟碟、硬碟、磁條卡、關聯式資料庫、Fortran 和 SQL 程式語言、UPC 條碼、以及本文所提到之個人電腦等;其研究部是世界上最大的工業研究機構,員工因科學研究和發明而獲得了各種認可,包括六項諾貝爾獎和六項圖靈獎(Turing Award,註五)。因此筆者懷疑英特爾能夠重新奪回業界領先地位;CFRA Research 技術分析師齊諾 ( Angelo Zino ) 表示:「目前來看,它們重返輝煌的可能性非常渺茫。」

以目前來看,英特爾技術劣勢難以逆轉,重返業界領導地位機會渺茫。圖/unsplash

結論

這顆科技巨星真的要隕落了嗎?真的是「一失足成千古恨,再回頭已百年身」嗎?英特爾第三任首席執行官(1987-1998)格羅夫真的不幸言中了嗎:「商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子」?當然,像英特爾這麼有成就的公司要徹底消失是不太可能,因此最可能的命運應該是分割拍賣或像仙童半導體公司一樣被其它公司收購(註六)。事實上去年高通公司就曾與英特爾洽談收購事宜,但最終放棄了這個想法。

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最後讓我們在這裡以同時被 IBM 培養狀大、在個人電腦上一起嘯吒風雲的微軟公司,其創辦人蓋茨(Bill Gates)元月 8 日的美聯社訪談來結束本文吧。蓋茨聲稱:如果英特爾沒有在 70 年代初期取得技術突破,創造出能夠驅動個人電腦的微型晶片,他的職業道路可能會有所不同。他接著表示:微軟也像英特爾一樣,在 18 年前錯過了從個人電腦到智慧型手機的轉變,但微軟已經恢復元氣,而英特爾的困境卻惡化到需要尋找新執行長的地步(註七),他說:

他們錯過了人工智慧晶片革命,(因為晶片設計和製造方面落後)其製造能力達不到英偉達和高通等公司認為是簡單的標準。我認為基辛格非常勇敢,他敢說:「不,我要解決設計方面的問題,我要解決晶圓廠方面的問題。」我(曾)希望為了他自己、為了國家,他能夠成功。我希望英特爾能夠復甦,但目前看來它們的處境相當艱難。

今天微軟公司已是全美市值最大的前三名公司之一,而英特爾卻淪落至此,能不讓人感嘆造化弄人嗎?

(2025 年 2 月 3 日補註)本文完稿於元月 15 日;英特爾元月 30 日第四季業績報告謂:營收連續三季下滑,較去年同期下降 7%;本季淨虧損總計 1.26 億美元(即每股 3 美分),而去年同期的淨收入為 26.7 億美元(即每股 63 美分)。今年第一季的業績指引令分析師失望!

備註

  • (註一)同一期間道瓊股指上升了 7 倍多。
  • (註二)這三家公司現在全是中國人在主導。在英特爾全盛時期,這三家全是在後者的陰影下求生存;而現今這三家的市值均遠遠超過英特爾!
  • (註三)2005 年,當英特爾的晶片在大多數個人電腦中充當了大腦時,執行長歐德寧( Paul Otellini)就已經意識到了圖形晶片最終可能會在資料中心承擔重要的工作,向董事會提出了一個令人震驚的想法:以高達 200 億美元收購電腦圖形晶片的矽谷新貴英偉達(英偉達的市值現已超過 3 兆美元)。但因英特爾在吸收公司方面的記錄不佳,董事會拒絕了這個提議,歐德寧退縮了!反觀 AMD 於 2006 年收購英偉達對手 Array Technology Inc. 後,現正挑戰英偉達的圖形晶片市場。
  • (註四)在 1993 年三月宣布將擔任執行長的記者招待會上,被問及用什麼牌子的計算機時,新執行長說他有一台筆記本電腦,但不記得是什麼牌子。
  • (註五)公認為計算機科學領域的最高榮譽,被稱為「計算機界的諾貝爾獎」。
  • (註六)仙童半導體公司於 2016 年 9 月被安森美(ON)半導體收購,品牌已不存在。
  • (註七)英特爾於 2025 年 3 月任命陳立武出任新執行長。

延伸閱讀:圖形處理單元與人工智能

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪,IBM顧問研究化學家退休 。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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晶片生病要手術 該選哪種開刀方式來做切片?
宜特科技_96
・2025/01/11 ・3131字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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晶片結構內部有問題,想要進行切片觀察,但方式有好幾種,該如何針對樣品的屬性,選擇正確分析手法呢?

本文轉載自宜特小學堂〈 哪種 IC 切片手法 最適合我的樣品〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

點擊圖片收看影片版

IC 設計後,在進行後續的產品功能性測試、可靠度測試(Reliability Test)或故障分析除錯(Failure Analysis & Debug)前,必須對待測試的樣品先做樣品製備(Sample preparation),透過 IC 切片方式,進行斷面/橫截面觀察(Cross-section)。此步驟在確認晶片內的金屬接線、晶片各層之間結構(Structure)、錫球接合(Solder Joint)、封裝打線(Wire Bonding)和元件(Device)異常等各種可疑缺陷(Defect),扮演相當關鍵性重要角色。

然而觀察截面的方式有好多種,有傳統機械研磨(Grinding)方式,透過機械手法拋光(Polish)至所需觀察的該層位置;或是透過離子束(Ion Beam)方式來進行切削(Milling);那麼,每一種分析手法到底有那些優勢呢?又該如何選擇哪一種切片手法,才能符合工程師想要觀察的樣品型態呢?本文將帶來四大分析手法,從針對尺寸極小的目標觀測區(如奈米等級的先進製程缺陷),或是大面積結構觀察(如微米等級的矽穿孔 TSV),幫大家快速找到適合的分析手法,進行斷面/橫截面觀察更得心應手!

傳統機械研磨(Grinding):樣品製備時間長,觀測範圍可達 15cm

 傳統機械研磨最大優勢,是可以達到大面積的觀察範圍(<15cm 皆可),跨越整顆晶粒(Die),甚至是封裝品(Package),當需要檢視全面性結構的堆疊或是尺寸量測等等,就適合使用 Grinding 手法(如下圖)。這個手法可透過機械切割、冷埋、研磨、拋光四步驟置備樣品到所需觀察的位置。

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(左):晶粒(Die)剖面研磨;(中)&(右)銅製程剖面研磨。圖/宜特科技

不過傳統研磨也有兩項弱點,除了有機械應力容易產生結構損壞,如變形、刮痕外,此項操作也非常需要依靠操作人員的執行經驗,經驗不足者,恐導致研磨過頭而誤傷到目標觀測區,影響後續分析。

傳統研磨相當依靠操作人員的執行經驗。圖/宜特科技

離子束 Cross-section Polisher(CP):除了截面分析,需要微蝕刻也可靠它

相較於傳統機械研磨(Grinding),Cross-section Polisher(簡稱 CP)的優點在於,是利用離子束做最後的精細切削(Fine milling),可以減低多餘的人為損傷,避免傳統研磨機械應力產生的結構損壞。除了切片外,CP 還有另一延伸應用,就是針對樣品進行表面微蝕刻,能夠解決研磨後造成的金屬延展或變形問題。因此,若是想觀察金屬堆疊型之結構、介金屬化合物 Intermetallic Compound(IMC),CP 是非常適合的分析手法。

CP 的手法,是先利用研磨(Grinding)將樣品磨至目標區前,再使用氬離子 Ar+,切削至目標觀測區,此做法不僅能有效縮短分析時間,後續再搭配掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,簡稱 SEM)進行拍攝,將能夠呈現較為清晰的層次邊界。

上圖是兩張 SEM 影像。左圖為研磨後的 IC 結構,層次邊界並不清晰;右圖則為 CP 切削後的 IC 結構,層與層之間界線清晰可見,同時也少了許多研磨後的顆粒與髒汙。圖/宜特科技

案例一CP Cross Section 能力,快又有效率!

案例一的待測樣品為 BGA 封裝形式,目標是針對特定的錫球(Solder bump)進行分析。透過 CP,可在 1 小時內完成 1mm 範圍的面積切片。後續搭配 SEM 分析,即可清楚呈現錫球表面材料的分布情況。

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下圖是案例中的 SEM 影像,圖(a)是 CP 後的樣品截面,可將整顆 bump 完整呈現。圖(b)是用傳統機械研磨(Grinding)完成之 BGA,雖然可以看到 bump 的介金屬化合物(IMC),但因研磨延展無法完整呈現。而圖(c)是用 CP 完成之 BGA,bump 下方的IMC對比清晰,可清楚看到材料對比的差異。

圖/宜特科技

案例二:透過 CP milling 解決銅延展變形的狀況

常見的 PCB 板疊孔結構中,若盲孔(Blind Via Hole,簡稱 BVH)與銅層(Cu layer)之間的結合力較弱時,在製程後期的熱處理過程中,容易導致盲孔與銅層拉扯出裂縫(Crack),造成阻值不穩定等異常情形。一般常見是透過傳統機械研磨(Grinding)來檢測此類問題,但這種處理方式往往會造成銅延展變形而影響判斷。我們可以使用 CP 針對 BVH 結構進行 CP milling,有效解決問題,並且處理範圍可達 10mm 以上之寬度。

左圖為傳統機械研磨(Grinding)後之 PCB via,無法看到裂縫(Crack);右圖為 CP milling 後之 PCB via,清楚呈現裂縫(Crack)。圖/宜特科技

Plasma FIB(簡稱PFIB):不想整顆樣品破壞,就選擇它來做局部分析

在 3D-IC 半導體製程技術中,如果擔心研磨(Grinding)在去層(Delayer or Deprocess)過程傷到目標區,或是擔心樣品研磨時均勻性不佳,會影響到觀察重點,這時就可考慮用電漿聚焦離子束顯微鏡(Plasma FIB,簡稱 PFIB)分析手法!

PFIB 結合了電漿離子蝕刻加工與 SEM 觀察功能,適用於分析範圍在 50-500 µm 的距離內,可進行截面分析與去層觀察,並針對特定區域能邊切邊觀察,有效避免因盲目切削而誤傷到目標區的狀況,確保異常結構或特定觀察結構的完整性。(閱讀更多:先進製程晶片局部去層找 Defect 可用何種工具

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PFIB 切削後之 TSV (Through Silicon Via)結構,除了可以清楚量測金屬鍍層厚度外,因為沒有研磨的應力影響,可明確定義 TSV 蝕刻的 CD(Critical Dimension)。圖/宜特科技

Dual Beam FIB(簡稱DB-FIB):適用數奈米小範圍且局部的切片分析

結合鎵離子束與 SEM 的雙束聚焦離子顯微鏡(Dual Beam FIB,簡稱 DB-FIB),可針對樣品中的微細結構進行奈米尺度的定位及觀察,適用於分析範圍在 50µm 以下的結構或異常區域。同時,DB-FIB 還能進行能量散佈 X-ray 能譜儀(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,簡稱 EDX)分析及電子背向散射(Electron Backscatter Diffraction,簡稱 EBSD),以獲得目標區域的成分與晶體結構相關資訊。

此外,當觀察的異常區域或結構過於微小,用 SEM 無法得到足夠資訊時,DB-FIB 也可以執行穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,簡稱 TEM)的試片製備,後續可供 TEM 進行更高解析度的分析。

DB-FIB 搭配 SEM 與鎵離子槍,可針對異常及微區結構進行定位與分析。圖/宜特科技

若想更認識各種工具的應用,歡迎來信索取宜特精心製作的四大切片分析工具圖表marketing_tw@istgroup.com,希望透過本文能幫助讀者,對IC截面分析手法有更多了解,例如 CP 設備新增了 Milling 功能,使其用途更加多元;而 PFIB 增加了去層功能,為先進製程的異常分析開啟了全新的可能性!

本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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從半導體到量子晶片:台灣成為全球量子科技的核心力量!
PanSci_96
・2024/10/14 ・2212字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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台灣首台量子電腦誕生:量子時代的到來

2024 年 1 月,台灣自主研發的第一台量子電腦正式於中央研究院誕生,儘管僅具備5個量子位元(qubits),卻為台灣在全球量子電腦競技場上佔據一席之地揭開了序幕。這一具有歷史性意義的事件不僅代表台灣科技能力的進步,也喚醒了人們對量子電腦的未來潛力的無限期待。

量子電腦,不再僅是科幻小說中的幻想,而是實實在在的科技新星,逐漸改變人類面對複雜問題的解決方式。台灣,身為全球半導體製造的重要支柱,正在迎接量子電腦進入量產的時代,而這將與材料學、晶片製程技術緊密相關。當量子技術進一步發展,台灣的製程技術無疑能為這場科技革命提供關鍵助力。

但在我們深入了解量子電腦的潛力之前,必須先理解它的基本運作原理。畢竟,要瞭解該投資哪些量子概念股,或者選擇哪些科系來掌握未來的科技趨勢,我們首先需要清楚量子電腦究竟是如何運作的。

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什麼是量子電腦?從電晶體到量子位元

2019 年,Google 推出了 53 量子位元的量子電腦「梧桐」(Sycamore),並宣告達成「量子霸權」,即其量子電腦在短短 200 秒內完成了傳統超級電腦需要 1 萬年才能處理的計算任務。這標誌著量子計算能力的突破,為計算科學開啟了全新的紀元。

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量子電腦之所以強大,是因為它利用了量子力學的「疊加」與「糾纏」現象。傳統電腦使用二進制的「0」和「1」來進行計算,而量子位元可以同時處於「0」和「1」的狀態,這使得量子電腦能在同一時間進行更多複雜的計算,大大提高了運算效率。

這樣的技術突破意味著,我們不再只依賴電子流過電晶體來實現運算,而是可以直接操控單一電子或其他粒子,讓它們同時攜帶 0 與 1 的信息,從而極大地提升了計算能力。

掌握電子的挑戰:從不確定性到操控技術

量子力學的另一個特性——不確定性原理——使得控制電子變得非常困難。電子極其微小,甚至無法用肉眼觀察。當我們試圖「觀察」一顆電子時,光子的介入會改變電子的狀態,這種不確定性使得同時測量電子的位置和動量幾乎不可能。

這種量子現象的捉摸不定,給科學家們帶來了巨大的挑戰。然而,正是這些現象,讓科學家們探索出了全新的計算方式——量子計算。在這一領域,超導體成為了實現量子位元的關鍵技術。

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超導體與量子電腦的結合:解鎖未來的關鍵

2023 年 7 月,韓國科學家宣布發現了一種名為 LK-99 的高溫超導體,這一發現引起了全球的轟動,因為超導體具備零電阻和磁浮現象,與量子力學有著密切的聯繫。超導體是未來量子電腦的潛在材料,它能夠在極低溫下讓電子以「庫柏對」的形式運動,這些電子對能夠在原子之間暢通無阻,產生零電阻效應。

通過利用「約瑟夫森效應」,兩個超導體之間夾入絕緣體,可以讓電子對穿越絕緣體,形成「超導電流」。這種穿隧效應是量子電腦中量子位元的重要基礎,讓我們能夠構建出穩定且有效的量子系統。

然而,現有的超導量子電腦仍面臨兩個主要挑戰。首先,超導現象只能在接近絕對零度的極低溫環境下出現,這意味著要在家庭或企業中大規模應用量子電腦,仍需克服極端溫控的技術難題。其次,超導量子位元非常容易受到外界干擾而失去量子狀態,這使得量子計算的穩定性成為一個尚未解決的問題。

由美國國家標準技術研究所研發的約瑟夫森接面陣列晶片。圖/wikimedia

量子電腦的多元發展:超導不是唯一的答案

儘管超導體被廣泛應用於當前的量子電腦技術中,但它並不是唯一的發展途徑。其他量子計算技術也在不斷進步,包括基於離子阱技術、光子學量子電腦等。

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離子阱技術利用激光操控單一原子來進行計算,這種技術具有極高的精度和穩定性,但也面臨著技術複雜性和成本的問題。而光子學量子電腦則利用光子來承載和傳輸信息,具有快速且易於擴展的潛力,然而,目前的光子學技術還存在一定的技術障礙,尤其是在量子糾纏狀態的穩定性上。

因此,量子計算的未來發展並不會只依賴一種技術,而是可能出現多元化的方案,根據不同的應用場景,選擇最合適的技術路徑。

台灣的量子未來:機遇與挑戰並存

隨著全球對量子技術的關注不斷提升,台灣有望在這一領域佔據重要地位。台灣的半導體技術、材料科學研究和製造實力,無疑為量子電腦的發展提供了堅實的基礎。從傳統的半導體製程轉換到量子晶片製造,台灣擁有豐富的技術積累與創新潛力。

然而,量子電腦技術的發展速度迅猛,台灣必須在全球競爭中不斷推動自主研發能力。未來,量子電腦的應用範圍將涵蓋人工智能、金融運算、材料科學、新藥開發等領域,這將進一步改變現有的產業結構和科技生態。

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對於投資者和學生來說,理解量子電腦的運作原理與未來趨勢,將是未來掌握科技變革的關鍵。而量子電腦的崛起,也標誌著下一場技術革命的序幕已經開啟。

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