“他们觉得我在搅局，想说服老板阻止我” 林本坚回顾浸润式光刻机研发芯酸历程

编按：林本坚是台积电前研发大将，他在2000年加入台积电。2002年时全球投入波长157纳米干式微影技术遇到瓶颈，他发表浸润式微影技术引起轰动，却遭干式微影技术的大公司针锋相对，因干式微影技术的投资已远超过10亿美元。 在台积电支持下，林本坚和组内的同仁写好几篇论文，从理论的观点证明浸润式微影的可行性及优势，后来说服ASML放弃原先157纳米干式微影光刻机的研发，转向与台积电共同开发193纳米浸润式微影机台，让台积电在55纳米之后跳跃成长6个技术世代，更影响了半导体产业长达20年的发展，林本坚在书中描述当时的关键一战。

浸润式微影—改变半导体业的发展方向

浸润式微影，从45纳米的世代成为生产半导体的主流，到现在的7纳米，一共经过六个世代，其中有好些曲折的经过。要微影界放弃将近10亿美元的投资，改用浸润式，终究不是一件简单的事！

1987年，我应邀在研讨会中发表有关光学微影的论文。当时我演讲的主题是有关“光学微影的蓝图，将来会碰到什么瓶颈，有什么方法突破这些瓶颈”。当光学微影的解析度提高时，景深会随着下降；而且下降的速度会比解析度增加的速度快，迟早会碰到景深的瓶颈。我提出很多方法，并提出到了没有其他方法时，浸润式可以解决问题。1987年业界正要准备1000 纳米的量产，我帮IBM研发两个世代以后的技术，也就是500纳米；那时还有很多方法可用，不需要浸润式这牛刀。

从1000 纳米到750、500、350 、250、180、130、90纳米，半导体业者每一代都用了一些巧妙的方法过关。到了65纳米的世代，波长已缩短到193纳米，镜头的孔径也到了0.93，各种有创意的方法已经把同样波长及孔径的解析度增加了超过两倍，很难再有突破。13.4纳米的极紫外光（EUV）遥不可及（13.4纳米是当时的认知，现在改正为13.5纳米）。大家的希望都寄託在157纳米的波长上。

157纳米这波长很不好用。其中一个主要原因是这波长的穿透率很低，只有少数可用的介质是透明的，这波长一共有五个瓶颈需要突破：

(1)镜头的材料就是一个瓶颈。唯一有希望的介质是单结晶的二氟化钙（CaF2）。可是要做出20–30公分大小的完美结晶非常困难。拉结晶要很有耐心，整个过程需要约90天。在这期间所需的温度、拉速、震动、周遭的环境等都不能有任何变动。这么长的学习周期，用数百个熔炉都无法改进学习的速度。

(2)感光物质的穿透率及耐蚀刻性，也令发展光阻的高手伤透脑筋。

(3)光罩的材料因二氟化钙价钱太高， 而且不耐用， 只好用穿透率差的石英（quartz），对高准确度的成像有影响。

(4)在光罩的聚焦区以外的平面有一层透明的护膜，作用是挡开会附在光罩上产生影像瑕疵的微粒。在157纳米的波长发展不出既透明又能伸展的薄膜。用石英的硬片取代则产生无应力把硬片吸附在光罩上的难题。

(5)因为空气中的氧气会吸收157纳米的光，光经过的整个路径必须只有氮气，造成很多不便，会增加制造的成本，而且如果意外漏出太多氮气会致命。

2002年2月，我受邀到SPIE 的“国际微影讨论会”作个全会众出席（Plenary）的演讲，其中一个要点是微影技术的下一步应该怎么走。

我分析了157纳米和13.4纳米，不认为这两个技术能及时解决问题，让摩尔定律按进度迈进。这是我在1987年之后，再次提出浸润式的可能性，并发表了浸润式设备及操作的示意图。有些听众听进去了，其他的听众觉得浸润式还是一个冷门的技术。

当年的9月，有一个针对157纳米的技术研讨会，主持人邀请我去讲浸润式微影。他可能属于在2月时把我的演讲听进去的听众；事隔7个月，想多听一点我的想法。那天因为是157纳米的研讨会，大家认为我要讲用浸润式继续推进157纳米。其实我在2月还没有提到浸润式以前，已经说157纳米很难了，把浸润式加到157纳米，不是难上加难吗？

在MIT林肯实验室的两位研究员M. Switkes 和M. Rothschild，在157纳米的浸润式液体上作了很多研究，这些液体穿透率不高，又是油性，有些还会污染晶片。他们顺便也量了水的折射率，得到1.46（这是当时的数据，后来他们小心再量测得到1.44），这是在193纳米波长的折射率。水在157纳米波长的折射率是量不出来的，因为不透光。

我看了1.46这数字很有感觉，因为水的折射率在一般的波长是1.3多。所以在一般波长下用水做浸润式的介质只能改进百分之卅多，但若改成现在可用的最短波长193纳米，1.46的折射率特性，水能把解析度增加46％，这太好了。水又是半导体生产线上大量使用的液体，接受度不成问题。那两位林肯实验室的研究员没有注意到水，可能因为他们专心想在157纳米上突破。

我算了一下，157纳米只比193纳米短23％，换句话说，只能把解析度提高23％，用193纳米加水可以提高46％，几乎是两倍。因为波长只在水中变短为132纳米。光在进入水前的波长是193纳米，可以避开所有157纳米的困难，能改进46％，又容易被半导体业接受，真是天造之合，是上帝给半导体业的奇妙安排。这就好像上帝使冰的密度比水低，让冰浮在水面上而使下面的水不容易结冰，这个物理现象可以保护鱼类，是祂给生物界的奇妙安排。

接著我在研讨会发表用水配合193纳米，能比干式的157纳米多增进一世代，而且比后者容易开发。结果全场轰动。我演讲后，所有交谈的时间大家都在讨论这个题目。更震撼的是在2004年的2月，有数千人聚会的SPIE“国际微影谈论会”—就是我在2002年提到浸润式微影的研讨会—其中有一个以157纳米为主题的会场，虽然有文章发表，却没有听众。193纳米浸润式微影的会场却挤满人。

虽千万人，吾往矣！

轰动归轰动，要说服光刻机台的厂商研发并量产浸润式机台却困难重重。问题出在全世界的研发方向都朝向157纳米，不但有很多厂商和研发单位投注到这波长，而且全球对157纳米的投资远超过10亿美元；单单一家光刻机台的厂商号称已投资超过7亿多美元。他们觉得我在搅局，并想说服我的老板阻止我。幸亏蒋尚义老板很有见识，也相信我的能力，并没有采取行动。

我和组内的同仁必须写好几篇论文，从理论的观点证明浸润式微影的可行性及优势，并驳斥一些错误的负面看法。我们也及早申请了应该申请的专利，并继续在国际技术讨论会发表论文。最重要的是必须说服厂商提供机台。

因此我常奔跑荷、德、美、日各地作技术和商业的交谈。这样辛苦耕耘了一年多，在2003年的10月，我们到荷兰作技术讨论时，爱斯摩尔公司（ASML）给我们看刚刚赶出来的第一片用浸润式光刻机在光阻上的成像。当然皆大欢喜。接着台积电和爱斯摩尔两个公司用很多年的苦功，把机台和制程研发到可以把浸润式微影驾轻就熟地用在量产上。

45纳米是用浸润式技术量产的第一代，接著在全球，40纳米、32纳米、28纳米、20纳米、16纳米、14纳米、10纳米、7纳米，都靠浸润式的技术生产。到了2012年，台积电总收入的47％是用浸润式技术生产的。当年台积电的总营收是170亿美元。2016年的总营收是320亿美元，浸润式技术生产的比例想必比2012年的要高得多。2017年的第一季，爱斯摩尔的季收中，浸润式的机台佔74 ％。我个人也因此得到公司内外的很多认可。这是上帝赐给我“眼睛未曾看见，耳朵未曾听见，人心未曾想到的恩典”。

本文摘录自林本坚著作：《把心放上去：“用心则乐”人生学（增订版）》

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