浸没式光刻技术推动半导体行业前进

13岁生日的那一天，侨居越南的林本坚收到了母亲送给他的礼物：一台老式相机。林本坚对这台相机着了迷，“我把父亲的照片放上去，又弄一个玻璃片，画了胡子，两张叠在一起，就合成爸爸长胡子的照片。”从此以后，林本坚就与光有了不解之缘。高三那一年，林本坚独自以侨生的身份到中国台湾新竹中学念书，隔年考上台湾大学电机系。在美国俄亥俄州立大学电机工程学系攻读博士学位时，他的论文研究的都是与光有关的技术。因为对于光与拍照的热爱，林本坚最想进入柯达工作，但投去的简历都没有回音，最后误打误撞去了IBM，就此进入了半导体领域继续研究光的技术。

林本坚在IBM一干就是二十二年。在IBM工作期间，林本坚参与了1微米、0.75微米、0.5微米光刻微影技术的研发。“我们在IBM做研究，一定要比世界早几步。IBM就是有这种‘坏习惯’——凡事要领先。我自己也是这种个性，才会在IBM待这么久。”

1992年，林本坚从IBM辞职，成立了一家专门发展与光刻相关的软件以及其他技术的公司。八年之后，最大的竞争对手被大公司收购，他无力与之竞争。恰在这时，台积电的研发副总裁蒋尚义打来电话，邀请他加盟。台积电光刻关键制程的微影技术授权自IBM，所以林本坚是台积电的老熟人。

林本坚回到台湾，负责台积电微影技术的研发。林本坚遇到了一个全行业的难题：准分子激光的波长被卡死在193纳米，摩尔定律遇到了大麻烦。

工欲善其事，必先利其器。摩尔定律要求芯片上的晶体管密度呈指数级地增长，就必须将晶圆“雕刻”得越来越精细，“刀尖”也就得越来越锋利。为了满足摩尔定律的要求，光刻技术需要每两年把曝光关键尺寸（critical dimension）降低30%～50%。根据莱利公式（Rayleigh Criterion）：CD=k1×（λ/NA），我们能做的就是降低曝光光源的波长λ，提高镜头的数值孔径NA（numerical aperture）和降低综合因素k1。在现实的技术工艺中，k1值和NA值的改进空间有限，降低光源波长λ成为持续推动光刻技术进步的最有效的方法。

当把光刻机的光源波长缩减到ArF准分子激光的193纳米的时候，遇到了很大的技术瓶颈。如果按照原有的技术路线再往前推进，也只能再缩减到F2准分子激光的157纳米，缩减比例很小，达不到摩尔定律的要求。如果将光波再“磨”细的问题解决不了，全球芯片产业都将陷入停滞状态。

在光学光刻技术之外，人们还对电子束光刻和X射线光刻寄予厚望。电子束是代表亚微米^[4]光刻的比较成熟的技术，但由于成本高昂，生产效率低，除非那些有特殊要求的硅片加工，一般情况下人们不愿意采用电子束光刻技术。X射线光刻虽然显示出可以不断提高分辨率及降低成本的潜在趋势，但它距实际应用还有一段距离，在光源、掩膜、抗蚀剂等方面都还有待进一步改善。贝尔实验室、IBM和日本企业都在做这两门光刻技术的研究，不过，可以预见，在未来很长一段时间内它们都无法替代光学光刻。

尼康和美国硅谷集团主张在前代技术的基础上，采用157纳米的激光，走稳健路线。157纳米的激光会被现有193纳米机器用的镜片吸收，光刻胶也要重新研制，改造难度很大，但技术路线清晰，没有什么风险。而林本坚一拍脑袋，提出了一个疯狂的方案：利用水来降低光的波长！

有一点物理常识的人都知道，光线照到水中会发生折射。那么，在光刻机的透镜和晶圆之间加一层薄薄的一毫米厚的水，水对193纳米激光的折射率是1.44，那么不就可以得到波长约为134（193/1.44）纳米的光线了吗？这不仅用一种低成本的方法直接越过了157纳米的天堑，还给微影精度的进一步提高指明了长远的方向。

2002年，在比利时举行的一场国际光电学会技术研讨会上，林本坚抛出了他的观点。本来，林本坚受邀参会，只是想介绍一下浸没原理。在林本坚演讲完后，“不得了，我找到了134纳米波长的光波，大家听到134，全都睁大眼睛。之后，大家把原本讨论的157纳米丢去一边了，全部围绕在134浸没式的话题上。”

不过，研讨会后，林本坚的思路却遭到众多半导体大厂的普遍反对，甚至引来敌意。一方面，大家都觉得，这么高、尖、难的一个问题，全球半导体产业精英花了这么多年都没解决，今天你告诉我加点水就能把它解决掉，你是来收“智商税”的吗？在如此精密的机器中加水，且不说性能可否达标，万一出现污染怎么办？水遇热膨胀改变折射率的问题怎么解决？水中的气泡会不会对光波产生影响？这些大厂没说出口的反对理由是：它们普遍都已经在研发157纳米光刻机上投入巨资，金额高达10亿美元之多，如果技术大转弯，不就等于是宣告这些研发费用都血本无归了吗？可以想象林本坚承受的压力之重。林本坚一边带领团队完成一篇篇论文并发表到国际期刊上，一一解答外界的疑虑，一边拿着这个“浸没式微影”的方案，跑遍美国、德国、日本等半导体产业大国，游说各家半导体巨头。林本坚走到哪里都吃了闭门羹，甚至有尼康高层给蒋尚义捎了句狠话，要蒋尚义管好自己的部下，让林本坚“不要搅局”。

“虽千万人，吾往矣！”林本坚如此形容他那一段改写光刻历史的经历。

张忠谋和蒋尚义给了林本坚的浸没式光刻方案很大的支持。经过林本坚不懈的努力，当时尚是小角色的阿斯麦尔决定赌一把：相比之前在传统干式微影上的投入，押注浸没式技术更有可能以小博大、换道超车。而且，台积电已经成为阿斯麦尔最大的客户之一，阿斯麦尔也必须将自己与台积电进行深度捆绑。于是，阿斯麦尔与林本坚一拍即合，拼尽全力，仅用一年时间，就研发出首台浸没式光刻设备。2004年，阿斯麦尔的浸没式光刻机改进成熟并顺利投入使用。

在阿斯麦尔推出浸没式光刻机差不多的时间，尼康也宣布自己的157纳米干式光刻样机完成。可是，浸没式属于小改进大效果，应用成本更低，缩短光波的效果更佳，所以几乎没有人去订尼康的新品。浸没式光刻技术很快获得国际半导体大厂的普遍认同。浸没式微影解决方案为光刻精度的提高开辟了康庄大道，摩尔定律再次克服障碍，继续前行。阿斯麦尔首席执行官彼得·韦尼克曾说：“iPhone能出现，是因为浸没式微影技术。”

尼康被迫也宣布去做浸没式光刻机，只用了一年时间就完成了对浸没式技术的追赶。然而，芯片行业最宝贵的就是时间，因为芯片只要18个月的时间就会差上一代，阿斯麦尔已经抢先夺下IBM和英特尔等许多大客户的订单。加上阿斯麦尔拥有优秀的工件台对准技术，相比之下尼康已无任何优势可言。曾创下光刻机年销量900台的辉煌纪录的尼康，从此开始走下坡路。(www.xing528.com)

至于佳能，在光刻领域一直都有点不思进取的意思。当年它的数码相机称霸世界，利润很好，对年销量只有百来台的光刻机重视不够。佳能的思路是一款产品要卖很久，他们一看193纳米及以下的光刻机的研发难度太大就直接撤了，集中精力在低端市场上。直到现在，佳能还在卖350纳米和248纳米的光刻机，主要给液晶面板以及模拟器件厂商供货。只是，当数码相机面临拍照功能越来越强大的智能手机带来的竞争压力时，佳能会不会后悔当初没有在光刻机领域多花一点心思？

林本坚带领团队乘胜追击，将光刻精度从130纳米做到90纳米、65纳米、40纳米、28纳米、20纳米、16纳米直到10纳米。在林本坚于2015年底从台积电退休后，浸没式光刻机通过不断改进，继续往前做到了7纳米的制程，苹果A12和华为麒麟980都还在用这一技术，再往前的5纳米制程才由极紫外（EUV）光刻来接班。林本坚让全球半导体产业的技术路径跟着他一个人转向，他的创新不但让全球芯片工艺制程得以往前一口气推进了9代，台积电也因此跻身一线大厂，主导业界发展。张忠谋曾称，假如没有林本坚及其团队，“台积电的光刻技术不会有今天这规模”。

美国和韩国的芯片产业也因为用阿斯麦尔光刻机替代日系产品，提高了对日本芯片产业的优势。毫不夸张地说，林本坚和阿斯麦尔的合作改写了全球半导体产业的格局，阿斯麦尔也大大受益于芯片产业的繁荣。2007年，阿斯麦尔成功击败尼康，成为全球光刻机市场的新霸主。到了2009年，阿斯麦尔已经占据全球光刻机70%的市场份额。

在另一场以铜替代铝的芯片制程技术竞争上，台积电也取得了关键性的重大胜利。

摩尔很喜欢讲一个关于芯片的寓言：我们需要为芯片找寻一种基础材料，因此我们考察了地球的基础材料。它主要是沙粒，所以我们使用了沙粒。我们需要为芯片上的线路和开关找寻一种金属导体。我们考察了地球上的所有金属，发现铝是最丰富的，所以我们使用了铝。

到了21世纪初，摩尔的这个寓言讲不下去了。因为铝虽然在价格和重量上比铜有优势，但导电率只有铜的60%，在导电材料上一般都得用大一个规格的铝线才能替代铜线。到0.13微米制程的时候，铝的导电率不够用了，芯片制造业开始研究用铜来替代铝。

在此之前，台积电的芯片制造技术都源自IBM的授权。1997年，IBM宣布研制成功以铜代铝制作晶体管的新生产工艺，这种工艺可以使电子线路体积更小，从而使微处理器的速度提高15%。IBM在实验室研制出0.13微米铜互连的工艺，想要卖给台积电。但蒋尚义觉得IBM的方法不成熟，婉拒了与IBM的合作，决定自己进行研发。而且，新材料制程的上马意味着这是一个行业重新洗牌的机会，台积电有机会开发出拥有自主知识产权的技术，摆脱对美国技术的依赖。蒋尚义集合了一支包括余振华、杨光磊、孙元成、梁孟松、林本坚等人在内的精兵强将，于2004年将0.13微米铜互连技术研发成功，而IBM的铜互连技术此时还没走出实验室。0.13微米铜制程成为台积电在芯片制造领域占据全球领先地位的转折点，联华电子和特许半导体就是因为继续依赖IBM的技术授权而从此与台积电拉开技术差距，后者很快就被格罗方德兼并。黄仁勋就此评论说：“0.13微米改造了台积电。”

到如今，台积电开创的晶圆代工业务模式已经完胜IDM模式。曾经的IDM大厂仅剩英特尔还在参与芯片最先进制程的竞争，连三星电子和SK海力士都成立了单独发展晶圆代工业务的子公司。让英特尔尴尬的是，最先进的芯片制程仅用在手机处理器上，英特尔自己的手机处理器业务却连遭失败。为了给自己的产能找出路，它就不得不去做代工。但IDM厂很难拿到外部订单，比如英特尔与高通有很强的竞争关系，两个公司都要争取苹果的订单，高通就不可能把自己手机处理器的代工订单下给英特尔。台积电就是因为一直坚持“不与客户竞争”的铁律，才将竞争对手全都远远抛在了身后。

2006年，已经领导台积电十九年、年已75岁的张忠谋志得意满，决定退休。让他没想到的是，离亚洲金融危机结束不到十年，一场规模更大的、席卷全球的金融危机即将来临。包括中国台湾在内的全球内半导体产业都将面临更加严酷的洗礼，而他本人也将被迫回归台积电，再次为这家公司掌舵。

【注释】

[1]姚心璐，《张汝京：告别中芯国际这10年》，全天候科技，https://tech.sina.com.cn/it/2019-07-16/doc-ihytcitm2471640.shtml，2019-07-16。

[2]指AMD，即超威。

[3]瑞尼·雷吉梅克，《光刻巨人：ASML崛起之路》，北京：人民邮电出版社，2020年版，第425页。

[4]亚微米（sub-micron）：半导体行业通常把0.8微米～0.35微米称为亚微米，0.25微米及其以下称为深亚微米，0.05微米及其以下称为纳米级。亚微米也作“次微米”，深亚微米也作“深次微米”。