林本堅回顧浸潤式光刻機研發芯酸歷程
2022-06-13 12:44:53 EETOP浸潤式微影—改變半導體業的發展方向
浸潤式微影，從45納米的世代成為生產半導體的主流，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，將來會碰到什么瓶頸，有什么方法突破這些瓶頸”。當光學微影的解析度提高時，景深會隨著下降；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，并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研發兩個世代以后的技術，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，現在改正為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。這么長的學習周期，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納米的波長發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)因為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，會增加制造的成本，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”作個全會眾出席（Plenary）的演講，其中一個要點是微影技術的下一步應該怎么走。
我分析了157納米和13.4納米，不認為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年之后，再次提出浸潤式的可能性，并發表了浸潤式設備及操作的示意圖。有些聽眾聽進去了，其他的聽眾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。他可能屬于在2月時把我的演講聽進去的聽眾；事隔7個月，想多聽一點我的想法。那天因為是157納米的研討會，大家認為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，有些還會污染晶片。他們順便也量了水的折射率，得到1.46（這是當時的數據，后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，因為不透光。
我看了1.46這數字很有感覺，因為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，可能因為他們專心想在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。因為波長只在水中變短為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。
接著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，而且比后者容易開發。結果全場轟動。我演講后，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納米為主題的會場，雖然有文章發表，卻沒有聽眾。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，要說服光刻機臺的廠商研發并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；單單一家光刻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，并想說服我的老板阻止我。幸虧蔣尚義老板很有見識，也相信我的能力，并沒有采取行動。
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，并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，并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，愛斯摩爾公司（ASML）給我們看剛剛趕出來的第一片用浸潤式光刻機在光阻上的成像。當然皆大歡喜。接著臺積電和愛斯摩爾兩個公司用很多年的苦功，把機臺和制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，接著在全球，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”。
本文摘錄自林本堅著作：《把心放上去：“用心則樂”人生學（增訂版）》
