浸润式光刻之父林本坚：欲再造江湖

　　中国台湾清华大学与台积电、力积电等 10 家顶尖半导体企业合作的半导体研究学院，将于今年 8 月成立，该半导体学院请来了凭借浸润式光刻技术改写全球半导体发展史的中研院院士林本坚领军。

　　目前，林本坚是清华半导体学院筹备处主任，未来将成为首任半导体学院院长。

　　林本坚曾在美国 IBM 研究中心，带领团队创造出许多领先全球的技术。后在台积电力邀下回到台湾地区，开始推动对全球半导体产业及台积电先进制程贡献极大的浸润式光刻技术，带领团队从 130nm、做到 90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16nm，和 10nm，并开始研发 7nm、和 5nm。

　　他从台积电卸任后，投入到了培育半导体人才的工作中，自 2016 年起担任台湾地区清华大学特聘讲座教授。

　　改写历史

　　1980 年代，林本坚在 IBM 工作期间，公司内部产生了光刻路线之争，当时，光刻技术的攻关进程决定了芯片特征尺寸的大小，是推进芯片性能迭代、建造强大计算和通信设备的关键。除了林本坚，几乎整个业界都在全力攻关X光光刻技术。

　　林本坚仔细研究过X光光刻，不仅光源不好解决、操作难度大，而且很快会触达清晰度的极限。相较而言，紫外线光刻不仅较易操作，而且提升空间更大。

　　当时，林本坚的紫外线光刻方案没有得到公司和老板的支持，也就没有资金可用，他只能孤独一人进行相关技术的研究。

　　林本坚在 IBM 工作了 22 年，在 50 岁时选择提前退休。当时，他已经 10 度获得美国 IBM 杰出发明奖、杰出优秀奖，为公司创造多项世界第一。后来，林本坚加入了台积电。

　　过去半个多世纪，摩尔定律一直在发挥作用，但到了 2002 年，当芯片制程缩小至 65nm 时，这个定律不灵了。当时，几乎所有人都寄希望于 157nm 波长光刻、以空气为介质的“干式”光刻技术的突破上，全球头部厂商为此投入数十亿美元，但毫无进展。

　　2002 年，林本坚提出了一项颠覆性技术，即利用水做介质的浸润式光刻。这项技术不仅比传统工艺造价低廉、操作简便，而且芯片解析度比 157nm 干式技术提高了两倍。

　　当时，林本坚在台积电工作，公司上下顶住各方压力，特别是那些在干式光刻技术上投入巨资的半导体设备厂，对林本坚很不友好，而台积电对他这一技术构想鼎力支持。

　　为了争取那些半导体设备厂商，林本坚亲自跑遍美国、日本、德国、荷兰等地，逐一拜会龙头企业，没想到，一上来就遭遇一家美国大厂当头棒喝：我们绝不会用你的科技，永远不。

　　经过反复拜会，光刻机制造商 ASML、尼康等国际大厂最终折服于林本坚的执着和技术功力和想象力，技术发展路线纷纷转向。

　　2003 年，ASML 展示了第一片用浸润式曝光机做出的成像。不久后，浸润式光刻技术正式量产。从量产第一代 45nm 芯片开始，之后的 40nm、32 nm、28 nm、20 nm、16 nm、14 nm、10 nm、7 nm、5 nm 芯片，都靠浸润式光刻技术制造。

　　离开 IBM 多年后，当林本坚在台积电研发 130nm 光刻芯片，每小时已经可以做出 100 多片时，IBM 还在用X光做 250nm 制程工艺，因为技术滞后且无法量产，最后不得不放弃。

　　据不完全统计，今天世界上每年超 82% 的芯片由浸润式光刻技术生产，从 2002 到 2019 年，林本坚以两年一迭代的速度，将摩尔定律向前推进了 7 代。

　　浸润式光刻技术简析

　　这么牛的浸润式光刻技术，到底是何方神圣呢？下面具体介绍一下。

　　当人类刚发明出集成电路的时候，当时的特征尺寸大概是5μm（5000nm），之后缩小到了3μm，发展至今，台积电已经开始量产 5nm 芯片了。在这个过程当中，制程共经历了 21 代变革，未来几年，3nm 集成电路也将实现量产。从5μm到 5nm，实现了 1000 倍的变化，大概经历了 40 年。

　　在这一过程当中，有一件比较神奇的事情，5μm阶段，当时的波长是 436nm，而到 7nm，波长是 193nm，变化并不是特别大，这样，从光学的角度看，我们要实现将特征尺寸缩到波长的四十分之一，似乎是不可能完成的任务，我们需要跳出纯光学思维，从半导体的角度去考虑如何实现它。

　　人的头发横截面直径大概是 80μm，以采用 28nm 制程工艺的 SRAM 为例，可以在头发的横截面上放 20735 个这个样的 SRAM 单元，随着微缩技术的发展，在直径为 80μm的横截面上，可以容纳越来越多的 SRAM 单元了。这主要是由光刻工艺及其技术演进实现的。

　　光刻微缩的理论基础主要基于下图的方程式：分辨率和 DOF（depth of focus，景深）。

　　从图中的公式可以看出，分辨率主要由三个因数决定，分别是波长λ、镜头角度的正弦值 sinθ，以及 k1，其中，对于做光刻的人来说，k1 这个参数是非常重要的。

　　缩短波长和加大 sinθ都可以提升分辨率，但这些都是有代价的，缩短波长λ、增加 sinθ，DOF 都会缩短，而 k3 和 k1 又是有关联的，且比较复杂。

　　对于采用不同设备制造相同制程 IC 的制造厂来说，其技术水平差异就会很突出，例如，有的厂商用 EUV 设备（光刻波长为 13.5nm）才能做 7nm 芯片，而有的厂商用 DUV 设备（光刻波长为 193nm）就可以做出 7nm 芯片，做同样的产品，前者需要更多的投资去购买更新近的设备，而后者则不需要。这就是通过高水平工艺提升分辨率W所产生的经济效益。

　　依据方程式，有 4 种方法可以提升分辨率W，而对于工程师来说，其中最方便的方法莫过于增加 sinθ了，对于半导体厂的工程师来说，只要向老板多申请一些经费，订购大一点的镜头和机器就好了，因此，工程师会采取的首选方案，往往就是在 sinθ上做文章。

　　增加 sinθ需要大量的投资，而且越来越贵，此外，目前 sinθ已经提升到 0.93，已很难再提升，而且其不可能大于1。这样，我们可以通过改变波长λ来进一步提升光刻的分辨率。

　　减小 k1 也是一种方法。k1 是一个系数，在显微镜应用当中，k1 最小只能降到 0.61，再小的话，东西就会模糊，看不清楚了，而在光刻领域，则不存在这个问题，只需要考虑线的位置，只要能曝光就好，因此，可以把 k1 降低到 0.07。

　　通过改变 k1，可以不用更换镜片，不用改变波长和光阻，就可以提升分辨率，具有很好的经济效益。此外，DOF 还有可能会增加。减小 k1 有这么多的好处，但其实现起来并不容易。

　　还有一种方法是增大n。n是折射率，通过改变n，也可以提升光刻系统的分辨率，最简单的方法就是在镜头和晶体之间加入水，以代替空气，也就是浸润式系统，通过增大n，可以得到短波长的效果。

　　当 NA 大于 1 的时候，特别是 1.35NA 时，需要放入具有特别构造的镜片，由于涉及到商业机密，下图中没有给出 1.35NA 的示意图，目前有两家公司可以做到这一点，他们采用不同的方法实现。

　　浸润式的原理，利用光通过液体介质时会弯折的特性，显微镜的影像透过浸湿的镜头会进一步放大。相反地，当光线通过浸在液体中的微缩影镜头时，就能将影像藉由折射率进一步缩小。

　　这里用水作为介质是最为经济高效的，否则就需要花几亿美金去研发新的、更好的介质，这样太耗费资金和时间，而且不一定能保证成功，算起来是划不来的。

　　作为浸润式光刻技术的发明人，林本坚对于产业的技术水平提升和经济效益做出了巨大的贡献。随着 EUV 的普及，更多的先进技术还会诞生，将继续把半导体光刻发扬光大。

　　投身人才培养

　　凭一己之力发明了浸润式光刻技术，并经历过在企业的辉煌之后，最近这些年，林本坚将主要精力放在了半导体年轻人才的培养上。

　　特别是在中国台湾地区，这里在全球半导体业处于领先地位，一直是靠大学培育的优质人才撑起来的，如果要保持世界领先地位，就必须掌握原创性技术，而这需要高水平的学术研发环境。

　　林本坚指出，如果只要提供半导体业所需的人力资源，大学就可以做到，台湾地区清华大学与顶尖企业合作设立半导体学院的目的，就是要培育能与全世界竞争的领袖级半导体人才。

　　如何培育半导体领袖人才？林本坚订出了兼具“专才、通才、活才”的人才培育方针。他表示，学生首先要选择一个专业，如半导体材料等，进行深入钻研，成为该领域的“专才”。而要与团队内的设计等其他领域专才沟通合作，必须具备半导体跨领域对话能力，也就是“通才”。

　　半导体技术进步极快，经常出现意想不到的新问题，此时更需要能解决未知问题及开创新局的“活才”。具备以上三才，方能成功领导研究及工程部门。