林本堅親筆講述：浸沒式光刻研發的臺前幕後

編者按

林本堅院士是臺積電前研發大將，他在2000年加入臺積電。2002年時全球投入波長157納米乾式微影技術遇到瓶頸，他發表浸潤式微影技術引起轟動，卻遭乾式微影技術的大公司針鋒相對，因乾式微影技術的投資已遠超過10億美元。

在臺積電支持下，林本堅和組內的同仁寫好幾篇論文，從理論的觀點證明浸潤式微影的可行性及優勢，後來說服ASML放棄原先157納米乾式微影曝光機的研發，轉向與臺積電共同開發193納米浸潤式微影機臺，讓臺積電在55納米之後跳躍成長6個技術世代，更影響了半導體產業長達20年的發展，林本堅在書中描述當時的關鍵一戰。

浸潤式微影—改變半導體業的發展方向

浸潤式微影，從45納米的世代成爲生產半導體的主流，到現在的7納米，一共經過六個世代，其中有好些曲折的經過。要微影界放棄將近10億美元的投資，改用浸潤式，終究不是一件簡單的事！

1987年，我應邀在研討會中發表有關光學微影的論文。當時我演講的主題是有關「光學微影的藍圖，將來會碰到什麼瓶頸，有什麼方法突破這些瓶頸」。當光學微影的解析度提高時，景深會隨着下降；而且下降的速度會比解析度增加的速度快，遲早會碰到景深的瓶頸。我提出很多方法，並提出到了沒有其他方法時，浸潤式可以解決問題。1987年業界正要準備1000 納米的量產，我幫IBM研發兩個世代以後的技術，也就是500納米；那時還有很多方法可用，不需要浸潤式這牛刀。

從1000 納米到750、500、350 、250、180、130、90納米，半導體業者每一代都用了一些巧妙的方法過關。到了65納米的世代，波長已縮短到193納米，鏡頭的孔徑也到了0.93，各種有創意的方法已經把同樣波長及孔徑的解析度增加了超過兩倍，很難再有突破。13.4納米的極紫外光（EUV）遙不可及（13.4納米是當時的認知，現在改正爲13.5納米）。大家的希望都寄託在157納米的波長上。

157納米這波長很不好用。其中一個主要原因是這波長的穿透率很低，只有少數可用的介質是透明的，這波長一共有五個瓶頸需要突破：

(1)鏡頭的材料就是一個瓶頸。唯一有希望的介質是單結晶的二氟化鈣（CaF2）。可是要做出20–30公分大小的完美結晶非常困難。拉結晶要很有耐心，整個過程需要約90天。在這期間所需的溫度、拉速、震動、周遭的環境等都不能有任何變動。這麼長的學習週期，用數百個熔爐都無法改進學習的速度。

(2)感光物質的穿透率及耐蝕刻性，也令發展光阻的高手傷透腦筋。

(3)光罩的材料因二氟化鈣價錢太高， 而且不耐用， 只好用穿透率差的石英（quartz），對高準確度的成像有影響。

(4)在光罩的聚焦區以外的平面有一層透明的護膜，作用是擋開會附在光罩上產生影像瑕疵的微粒。在157納米的波長髮展不出既透明又能伸展的薄膜。用石英的硬片取代則產生無應力把硬片吸附在光罩上的難題。

(5)因爲空氣中的氧氣會吸收157納米的光，光經過的整個路徑必須只有氮氣，造成很多不便，會增加製造的成本，而且如果意外漏出太多氮氣會致命。

2002年2月，我受邀到SPIE 的「國際微影討論會」作個全會衆出席（Plenary）的演講，其中一個要點是微影技術的下一步應該怎麼走。

我分析了157納米和13.4納米，不認爲這兩個技術能及時解決問題，讓摩爾定律按進度邁進。這是我在1987年之後，再次提出浸潤式的可能性，並發表了浸潤式設備及操作的示意圖。有些聽衆聽進去了，其他的聽衆覺得浸潤式還是一個冷門的技術。

當年的9月，有一個針對157納米的技術研討會，主持人邀請我去講浸潤式微影。他可能屬於在2月時把我的演講聽進去的聽衆；事隔7個月，想多聽一點我的想法。那天因爲是157納米的研討會，大家認爲我要講用浸潤式繼續推進157納米。其實我在2月還沒有提到浸潤式以前，已經說157納米很難了，把浸潤式加到157納米，不是難上加難嗎？

在MIT林肯實驗室的兩位研究員M. Switkes 和M. Rothschild，在157納米的浸潤式液體上作了很多研究，這些液體穿透率不高，又是油性，有些還會污染芯片。他們順便也量了水的折射率，得到1.46（這是當時的數據，後來他們小心再量測得到1.44），這是在193納米波長的折射率。水在157納米波長的折射率是量不出來的，因爲不透光。

我看了1.46這數字很有感覺，因爲水的折射率在一般的波長是1.3多。所以在一般波長下用水做浸潤式的介質只能改進百分之卅多，但若改成現在可用的最短波長193納米，1.46的折射率特性，水能把解析度增加46％，這太好了。水又是半導體生產線上大量使用的液體，接受度不成問題。那兩位林肯實驗室的研究員沒有注意到水，可能因爲他們專心想在157納米上突破。

我算了一下，157納米只比193納米短23％，換句話說，只能把解析度提高23％，用193納米加水可以提高46％，幾乎是兩倍。因爲波長只在水中變短爲132納米。光在進入水前的波長是193納米，可以避開所有157納米的困難，能改進46％，又容易被半導體業接受，真是天造之合，是上帝給半導體業的奇妙安排。這就好像上帝使冰的密度比水低，讓冰浮在水面上而使下面的水不容易結冰，這個物理現象可以保護魚類，是祂給生物界的奇妙安排。

接着我在研討會發表用水配合193納米，能比干式的157納米多增進一世代，而且比後者容易開發。結果全場轟動。我演講後，所有交談的時間大家都在討論這個題目。更震撼的是在2004年的2月，有數千人聚會的SPIE「國際微影談論會」—就是我在2002年提到浸潤式微影的研討會—其中有一個以157納米爲主題的會場，雖然有文章發表，卻沒有聽衆。193納米浸潤式微影的會場卻擠滿人。

雖千萬人，吾往矣！

轟動歸轟動，要說服曝光機臺的廠商研發並量產浸潤式機臺卻困難重重。問題出在全世界的研發方向都朝向157納米，不但有很多廠商和研發單位投注到這波長，而且全球對157納米的投資遠超過10億美元；單單一家曝光機臺的廠商號稱已投資超過7億多美元。他們覺得我在攪局，並想說服我的老闆阻止我。幸虧蔣尚義老闆很有見識，也相信我的能力，並沒有採取行動。

我和組內的同仁必須寫好幾篇論文，從理論的觀點證明浸潤式微影的可行性及優勢，並駁斥一些錯誤的負面看法。我們也及早申請了應該申請的專利，並繼續在國際技術討論會發表論文。最重要的是必須說服廠商提供機臺。

因此我常奔跑荷、德、美、日各地作技術和商業的交談。這樣辛苦耕耘了一年多，在2003年的10月，我們到荷蘭作技術討論時，ASML公司給我們看剛剛趕出來的第一片用浸潤式曝光機在光阻上的成像。當然皆大歡喜。接着臺積電和ASML兩個公司用很多年的苦功，把機臺和製程研發到可以把浸潤式微影駕輕就熟地用在量產上。

45納米是用浸潤式技術量產的第一代，接着在全球，40納米、32納米、28納米、20納米、16納米、14納米、10納米、7納米，都靠浸潤式的技術生產。到了2012年，臺積電總收入的47％是用浸潤式技術生產的。當年臺積電的總營收是170億美元。2016年的總營收是320億美元，浸潤式技術生產的比例想必比2012年的要高得多。2017年的第一季，愛斯摩爾的季收中，浸潤式的機臺佔74 ％。我個人也因此得到公司內外的很多認可。這是上帝賜給我「眼睛未曾看見，耳朵未曾聽見，人心未曾想到的恩典」。

林本堅的告白：在美國38年，爲什麼我選擇在57歲那年，爲了臺積電回到臺灣？

我公元2000年4月26日開始在臺積電上班。事情的發生不在我的計劃中，後來卻越來越清楚是上帝奇妙的安排。

1970年起，我在IBM工作了22年。接着出來開了一家公司，叫做Linnovation（就是Lin+Innovation），意譯是領創，音譯也可以念成林創。公司在美國德州的奧斯汀城設立。一年後，就搬到佛羅里達州的天柏城。公元2000年臺積電來找我的時候，領創正進入第9年。

當年的年初，我接到嚴濤南經理的電話，問我有沒有興趣到臺積電來接手一個研發微影的處。我覺得有點不解。應該是職位比處長高的來問我，會比較合理一些。更特別的，他問我年紀有沒有超過50歲，因爲這是需要符合的條件。我請他不必擔心，我已經57歲。接着他跟我解釋是蔣尚義研發副總要他打的電話。如果我有興趣，蔣副總會親自給我打電話。

那時候，領創有些產品賣到臺灣，臺積電是我的客戶之一。我對臺積電和跟我互動的臺積電工程師的印象很好，我就告訴他臺積電的邀請是值得考慮的。過了沒幾天，蔣副總就給我打電話，告知我他要設立兩個部，一個負責芯片的微影，另一個負責光罩。兩位部經理中負責芯片的會是嚴濤南。另一位負責光罩的部經理會是林進祥。

這兩位我都見過面，有互動過，我對這兩位人選覺得很合適，而且覺得把光罩和芯片的微影放在同一個處是很有遠見的。芯片上的成像和光罩的成像有很多相同，而且可以互相幫助，應該放在一起推動，蔣副總的構想很有遠見。接着他請我到臺積電面談。

我說好，5月能去。他說太久了，問我最近忙什麼事。我解釋說2月27日要到加州參加一個SPIE 主辦的國際微影研討會。他說何不開完會就繼續西飛到臺積電，全程的機票錢由臺積電支付，也可以節省佛羅里達州到加州的飛機票錢。我想也對，就調整原來的計劃，3月6日到臺積電面談。

臺積電和我面談的人除了邀請我的蔣副總，記得有總經理曾繁城，管營運（Operation）的副總左大川，管整合研發（R&D Integration）的處長孫元成和模組研發（R&D Module）的處長梁孟鬆；還有嚴濤南、林進祥兩位部經理。面談很順利，這些面談者有些聽過我的演講，有些上過我的課，有些是IBM的老同事，唯有蔣副總是以前不認識的。

到了第二天，蔣副總問我這兩天的感想，並邀請我到臺積電當資深處長，把薪水、配股、就職獎金等都告訴我，而且跟我說，要我趕去面談的原因是要我在4月之內加入臺積電，遲一點加入會拖慢一年才能領到股票分紅。對領股票一事，我當時沒有太多的感覺。接着有另一位資深處長5月到任，辦公室在我的隔壁，也是基督徒，後來成爲好朋友，我才知道蔣副總果然講的很對。

當時我謝謝蔣副總的好意，說要回去跟老闆商量才能決定。蔣副總知道我開公司，是自己的老闆，老闆何來？其實，我有老闆，第一位老闆就是我的妻子—我平時常開玩笑說她是我的老闆。我也常說她是我的Lothersecookmaid，就是我的愛人、孩子的母親，家中的秘書、主廚、女傭。我把這些身份的英文拼成一個英文字如上。這位老闆的細述，請見「王子和公主，過了54年之後……」。

另一位老闆比任何老闆都大，是我生命的主。蔣副總對這樣的心態不陌生，有一次在追述往事時，他告訴我以前邀請另一位基督徒副總時，他也說需要尋求主的旨意。另外一次追述往事時，他說我沒有跟他討價還價，讓他覺得我與衆不同，所以把最好的待遇都給了我。又有一次追述往事，他說我是他所聘的人中覺得最得意的。我受寵若驚，心中感謝主，也感謝蔣副總對我的賞識。

我說要跟老闆商量，蔣副總說當然當然，可是不要商量太久。一方面公司需要人，另一方面過了4月底來報到，股票會少拿很多。其實那時候我還不是臺積人，對股票一知半解。我看到的是臺積電的需要和我的專長非常吻合。臺積電又是一個很成功的公司，我所見到的人都是很聰明能幹的人，值得一起打拼，一起做大事。

我回家後，跟修慧說應該認真地考慮到臺灣，可是我們必須確定這是上帝的旨意。我在美國生活了38年，兩個孩子都大學畢業，也都在美國成家自立了。妻子修慧在美國的電話電報公司（AT&T）有一份很好的工作。我們兩人在教會有很多事奉，現在要連根拔起把家搬到臺灣，是需要很多考量和禱告的，否則我們離開天柏的事奉去追逐自己的理想，是不討上帝喜悅的。

當我告訴教會的弟兄姐妹們我要回臺灣，大家都很不解。因爲那時候我和修慧的入息還不錯，住在海邊、有120坪大的房子。修慧常常在海邊走路運動，我常常在海邊拍攝日出。其實房子是身外物，我們捨不得離開天柏城，是因爲那裡的弟兄姐妹。我教主日學，也是詩班的指揮，當過執事會的主席，牧師常常請我講道。

那時候因爲自己開公司，時間彈性大，我們有好幾年的聖誕節可以花很多時間練習把John Peterson和David Clydesdale等作曲家的清唱劇演唱出來。修慧也在詩班事奉，是女高音的臺柱之一。後來我先回臺灣，她就接手指揮詩班，也唱了很多很好的曲子。修慧帶領青少年，很得到他們的信賴，對他們的人生方向和處世態度很有幫助。怪不得弟兄姐妹不明白我們爲什麼要離開屬靈的家，到離別了38年的地方去冒險。真是人心沒有想到的。

究竟是什麼感動讓我離開美國到臺積電？

接着的幾天我們迫切地禱告，可是天並沒有打開，也沒有聲音叫我們去臺灣。我想蔣副總快要打電話來了，開始有點焦急。有一天在思考的時候，我順手把桌子上的記事本翻了一下，翻到我在1999年12月1日記下來的一則禱告。當天，我因爲競爭對手和一家大公司合併，所以對自己公司的競爭力相當擔憂，懇切地求主給我一個對策。其實我心中希望祂幫我找一家公司來和我合併，並不是求祂差一家公司來聘我，而且我心目中有兩個公司覺得可以試一試。

爲了慎重起見，我把禱告的事項和日期寫在記事本中，以便將來上帝聽我禱告的時候，可以記得感謝祂。可是過了一陣子，上帝好像沒有理我。不料第二年的2月蔣副總給我打電話。我3月到臺積電面談，現在回到美國又向上帝禱告，幾乎忘記了12月曾向祂祈求過。

看到了記事本，覺得有可能這就是上帝給我的迴應。可是主啊！你只安排了工作，教會的事奉呢？難道禰不喜歡我事奉嗎？對了！聖經中哥林多前書2章9節不是說「上帝爲愛他的人所預備的，是眼睛未曾看見，耳朵未曾聽見，人心也未曾想到的」嗎？我沒想到臺積電，可是上帝用臺積電迴應我的禱告。焉知祂不會用我想不到的方法來安排我的事奉？

4月25日是公元2000年的復活節。天柏教會有一位姐妹向牧師建議把復活節的講臺讓給我，以便我向弟兄姐妹們交代如何知道到臺積電是上帝的旨意。我就用哥林多前書這段經節講了一篇復活節的道。先講馬利亞在復活節時準備了香膏要去膏耶穌的屍體，沒有想到主會復活，不料看到的是復活的主而喜出望外。真是眼睛未曾看過，耳朵未曾聽過，人心未曾想到的。我就這樣抓着這金句到了臺積電。

上帝爲我在臺積電的工作所準備的機會和在臺灣安排的事奉，在本書的其他各章會記載。我當時禱告中想求祂幫我合併卻不敢告訴祂的公司，到現在都消失了，臺積電卻增長了好幾倍。我的團隊也從開始的50人增長到700多人。退休時微影的世代從130納米推進到快要量產7納米，研發到5納米。

上帝的道路的確高過我的道路。

來源：半導體行業觀察