林本坚亲笔讲述：浸没式光刻研发的台前幕后

编者按

林本坚院士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纳米干式微影曝光机的研发，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）。大家的希望都寄托在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，有些还会污染芯片。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。

接着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，要说服曝光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；单单一家曝光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，ASML公司给我们看刚刚赶出来的第一片用浸润式曝光机在光阻上的成像。当然皆大欢喜。接着台积电和ASML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，接着在全球，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，浸润式的机台占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」。

林本坚的告白：在美国38年，为什么我选择在57岁那年，为了台积电回到台湾？

我公元2000年4月26日开始在台积电上班。事情的发生不在我的计划中，后来却越来越清楚是上帝奇妙的安排。

1970年起，我在IBM工作了22年。接着出来开了一家公司，叫做Linnovation（就是Lin+Innovation），意译是领创，音译也可以念成林创。公司在美国德州的奥斯汀城设立。一年后，就搬到佛罗里达州的天柏城。公元2000年台积电来找我的时候，领创正进入第9年。

当年的年初，我接到严涛南经理的电话，问我有没有兴趣到台积电来接手一个研发微影的处。我觉得有点不解。应该是职位比处长高的来问我，会比较合理一些。更特别的，他问我年纪有没有超过50岁，因为这是需要符合的条件。我请他不必担心，我已经57岁。接着他跟我解释是蒋尚义研发副总要他打的电话。如果我有兴趣，蒋副总会亲自给我打电话。

那时候，领创有些产品卖到台湾，台积电是我的客户之一。我对台积电和跟我互动的台积电工程师的印象很好，我就告诉他台积电的邀请是值得考虑的。过了没几天，蒋副总就给我打电话，告知我他要设立两个部，一个负责芯片的微影，另一个负责光罩。两位部经理中负责芯片的会是严涛南。另一位负责光罩的部经理会是林进祥。

这两位我都见过面，有互动过，我对这两位人选觉得很合适，而且觉得把光罩和芯片的微影放在同一个处是很有远见的。芯片上的成像和光罩的成像有很多相同，而且可以互相帮助，应该放在一起推动，蒋副总的构想很有远见。接着他请我到台积电面谈。

我说好，5月能去。他说太久了，问我最近忙什么事。我解释说2月27日要到加州参加一个SPIE 主办的国际微影研讨会。他说何不开完会就继续西飞到台积电，全程的机票钱由台积电支付，也可以节省佛罗里达州到加州的飞机票钱。我想也对，就调整原来的计划，3月6日到台积电面谈。

台积电和我面谈的人除了邀请我的蒋副总，记得有总经理曾繁城，管营运（Operation）的副总左大川，管整合研发（R&D Integration）的处长孙元成和模组研发（R&D Module）的处长梁孟松；还有严涛南、林进祥两位部经理。面谈很顺利，这些面谈者有些听过我的演讲，有些上过我的课，有些是IBM的老同事，唯有蒋副总是以前不认识的。

到了第二天，蒋副总问我这两天的感想，并邀请我到台积电当资深处长，把薪水、配股、就职奖金等都告诉我，而且跟我说，要我赶去面谈的原因是要我在4月之内加入台积电，迟一点加入会拖慢一年才能领到股票分红。对领股票一事，我当时没有太多的感觉。接着有另一位资深处长5月到任，办公室在我的隔壁，也是基督徒，后来成为好朋友，我才知道蒋副总果然讲的很对。

当时我谢谢蒋副总的好意，说要回去跟老板商量才能决定。蒋副总知道我开公司，是自己的老板，老板何来？其实，我有老板，第一位老板就是我的妻子—我平时常开玩笑说她是我的老板。我也常说她是我的Lothersecookmaid，就是我的爱人、孩子的母亲，家中的秘书、主厨、女佣。我把这些身份的英文拼成一个英文字如上。这位老板的细述，请见「王子和公主，过了54年之后……」。

另一位老板比任何老板都大，是我生命的主。蒋副总对这样的心态不陌生，有一次在追述往事时，他告诉我以前邀请另一位基督徒副总时，他也说需要寻求主的旨意。另外一次追述往事时，他说我没有跟他讨价还价，让他觉得我与众不同，所以把最好的待遇都给了我。又有一次追述往事，他说我是他所聘的人中觉得最得意的。我受宠若惊，心中感谢主，也感谢蒋副总对我的赏识。

我说要跟老板商量，蒋副总说当然当然，可是不要商量太久。一方面公司需要人，另一方面过了4月底来报到，股票会少拿很多。其实那时候我还不是台积人，对股票一知半解。我看到的是台积电的需要和我的专长非常吻合。台积电又是一个很成功的公司，我所见到的人都是很聪明能干的人，值得一起打拼，一起做大事。

我回家后，跟修慧说应该认真地考虑到台湾，可是我们必须确定这是上帝的旨意。我在美国生活了38年，两个孩子都大学毕业，也都在美国成家自立了。妻子修慧在美国的电话电报公司（AT&T）有一份很好的工作。我们两人在教会有很多事奉，现在要连根拔起把家搬到台湾，是需要很多考量和祷告的，否则我们离开天柏的事奉去追逐自己的理想，是不讨上帝喜悦的。

当我告诉教会的弟兄姐妹们我要回台湾，大家都很不解。因为那时候我和修慧的入息还不错，住在海边、有120坪大的房子。修慧常常在海边走路运动，我常常在海边拍摄日出。其实房子是身外物，我们舍不得离开天柏城，是因为那里的弟兄姐妹。我教主日学，也是诗班的指挥，当过执事会的主席，牧师常常请我讲道。

那时候因为自己开公司，时间弹性大，我们有好几年的圣诞节可以花很多时间练习把John Peterson和David Clydesdale等作曲家的清唱剧演唱出来。修慧也在诗班事奉，是女高音的台柱之一。后来我先回台湾，她就接手指挥诗班，也唱了很多很好的曲子。修慧带领青少年，很得到他们的信赖，对他们的人生方向和处世态度很有帮助。怪不得弟兄姐妹不明白我们为什么要离开属灵的家，到离别了38年的地方去冒险。真是人心没有想到的。

究竟是什么感动让我离开美国到台积电？

接着的几天我们迫切地祷告，可是天并没有打开，也没有声音叫我们去台湾。我想蒋副总快要打电话来了，开始有点焦急。有一天在思考的时候，我顺手把桌子上的记事本翻了一下，翻到我在1999年12月1日记下来的一则祷告。当天，我因为竞争对手和一家大公司合并，所以对自己公司的竞争力相当担忧，恳切地求主给我一个对策。其实我心中希望祂帮我找一家公司来和我合并，并不是求祂差一家公司来聘我，而且我心目中有两个公司觉得可以试一试。

为了慎重起见，我把祷告的事项和日期写在记事本中，以便将来上帝听我祷告的时候，可以记得感谢祂。可是过了一阵子，上帝好像没有理我。不料第二年的2月蒋副总给我打电话。我3月到台积电面谈，现在回到美国又向上帝祷告，几乎忘记了12月曾向祂祈求过。

看到了记事本，觉得有可能这就是上帝给我的回应。可是主啊！你只安排了工作，教会的事奉呢？难道祢不喜欢我事奉吗？对了！圣经中哥林多前书2章9节不是说「上帝为爱他的人所预备的，是眼睛未曾看见，耳朵未曾听见，人心也未曾想到的」吗？我没想到台积电，可是上帝用台积电回应我的祷告。焉知祂不会用我想不到的方法来安排我的事奉？

4月25日是公元2000年的复活节。天柏教会有一位姐妹向牧师建议把复活节的讲台让给我，以便我向弟兄姐妹们交代如何知道到台积电是上帝的旨意。我就用哥林多前书这段经节讲了一篇复活节的道。先讲马利亚在复活节时准备了香膏要去膏耶稣的尸体，没有想到主会复活，不料看到的是复活的主而喜出望外。真是眼睛未曾看过，耳朵未曾听过，人心未曾想到的。我就这样抓着这金句到了台积电。

上帝为我在台积电的工作所准备的机会和在台湾安排的事奉，在本书的其他各章会记载。我当时祷告中想求祂帮我合并却不敢告诉祂的公司，到现在都消失了，台积电却增长了好几倍。我的团队也从开始的50人增长到700多人。退休时微影的世代从130纳米推进到快要量产7纳米，研发到5纳米。

上帝的道路的确高过我的道路。