中國臺灣清華大學與臺積電、力積電等10家頂尖半導體企業(yè)合作的半導體研究學院，將于今年8月成立，該半導體學院請來了憑借浸潤式光刻技術改寫全球半導體發(fā)展史的中研院院士林本堅領軍。

目前，林本堅是清華半導體學院籌備處主任，未來將成為首任半導體學院院長。

林本堅曾在美國IBM研究中心，帶領團隊創(chuàng)造出許多領先全球的技術。后在臺積電力邀下回到臺灣地區(qū)，開始推動對全球半導體產(chǎn)業(yè)及臺積電先進制程貢獻極大的浸潤式光刻技術，帶領團隊從130nm、做到90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16nm，和10nm，并開始研發(fā)7nm、和5nm。

他從臺積電卸任后，投入到了培育半導體人才的工作中，自2016年起擔任臺灣地區(qū)清華大學特聘講座教授。

改寫歷史

1980年代，林本堅在IBM工作期間，公司內(nèi)部產(chǎn)生了光刻路線之爭，當時，光刻技術的攻關進程決定了芯片特征尺寸的大小，是推進芯片性能迭代、建造強大計算和通信設備的關鍵。除了林本堅，幾乎整個業(yè)界都在全力攻關X光光刻技術。

林本堅仔細研究過X光光刻，不僅光源不好解決、操作難度大，而且很快會觸達清晰度的極限。相較而言，紫外線光刻不僅較易操作，而且提升空間更大。

當時，林本堅的紫外線光刻方案沒有得到公司和老板的支持，也就沒有資金可用，他只能孤獨一人進行相關技術的研究。

林本堅在IBM工作了22年，在50歲時選擇提前退休。當時，他已經(jīng)10度獲得美國IBM杰出發(fā)明獎、杰出優(yōu)秀獎，為公司創(chuàng)造多項世界第一。后來，林本堅加入了臺積電。

過去半個多世紀，摩爾定律一直在發(fā)揮作用，但到了2002年，當芯片制程縮小至65nm時，這個定律不靈了。當時，幾乎所有人都寄希望于157nm波長光刻、以空氣為介質(zhì)的“干式”光刻技術的突破上，全球頭部廠商為此投入數(shù)十億美元，但毫無進展。

2002年，林本堅提出了一項顛覆性技術，即利用水做介質(zhì)的浸潤式光刻。這項技術不僅比傳統(tǒng)工藝造價低廉、操作簡便，而且芯片解析度比157nm干式技術提高了兩倍。

當時，林本堅在臺積電工作，公司上下頂住各方壓力，特別是那些在干式光刻技術上投入巨資的半導體設備廠，對林本堅很不友好，而臺積電對他這一技術構想鼎力支持。

為了爭取那些半導體設備廠商，林本堅親自跑遍美國、日本、德國、荷蘭等地，逐一拜會龍頭企業(yè)，沒想到，一上來就遭遇一家美國大廠當頭棒喝：我們絕不會用你的科技，永遠不。

經(jīng)過反復拜會，光刻機制造商ASML、尼康等國際大廠最終折服于林本堅的執(zhí)著和技術功力和想象力，技術發(fā)展路線紛紛轉(zhuǎn)向。

2003年，ASML展示了第一片用浸潤式曝光機做出的成像。不久后，浸潤式光刻技術正式量產(chǎn)。從量產(chǎn)第一代45nm芯片開始，之后的40nm、32 nm、28 nm、20 nm、16 nm、14 nm、10 nm、7 nm、5 nm芯片，都靠浸潤式光刻技術制造。

離開IBM多年后，當林本堅在臺積電研發(fā)130nm光刻芯片，每小時已經(jīng)可以做出100多片時，IBM還在用X光做250nm制程工藝，因為技術滯后且無法量產(chǎn)，最后不得不放棄。

據(jù)不完全統(tǒng)計，今天世界上每年超82%的芯片由浸潤式光刻技術生產(chǎn)，從2002到2019年，林本堅以兩年一迭代的速度，將摩爾定律向前推進了7代。

浸潤式光刻技術簡析

這么牛的浸潤式光刻技術，到底是何方神圣呢？下面具體介紹一下。

當人類剛發(fā)明出集成電路的時候，當時的特征尺寸大概是5μm（5000nm），之后縮小到了3μm，發(fā)展至今，臺積電已經(jīng)開始量產(chǎn)5nm芯片了。在這個過程當中，制程共經(jīng)歷了21代變革，未來幾年，3nm集成電路也將實現(xiàn)量產(chǎn)。從5μm到5nm，實現(xiàn)了1000倍的變化，大概經(jīng)歷了40年。

在這一過程當中，有一件比較神奇的事情，5μm階段，當時的波長是436nm，而到7nm，波長是193nm，變化并不是特別大，這樣，從光學的角度看，我們要實現(xiàn)將特征尺寸縮到波長的四十分之一，似乎是不可能完成的任務，我們需要跳出純光學思維，從半導體的角度去考慮如何實現(xiàn)它。

人的頭發(fā)橫截面直徑大概是80μm，以采用28nm制程工藝的SRAM為例，可以在頭發(fā)的橫截面上放20735個這個樣的SRAM單元，隨著微縮技術的發(fā)展，在直徑為80μm的橫截面上，可以容納越來越多的SRAM單元了。這主要是由光刻工藝及其技術演進實現(xiàn)的。

光刻微縮的理論基礎主要基于下圖的方程式：分辨率和DOF（depth of focus，景深）。

從圖中的公式可以看出，分辨率主要由三個因數(shù)決定，分別是波長λ、鏡頭角度的正弦值sinθ，以及k1，其中，對于做光刻的人來說，k1這個參數(shù)是非常重要的。

縮短波長和加大sinθ都可以提升分辨率，但這些都是有代價的，縮短波長λ、增加sinθ，DOF都會縮短，而k3和k1又是有關聯(lián)的，且比較復雜。

對于采用不同設備制造相同制程IC的制造廠來說，其技術水平差異就會很突出，例如，有的廠商用EUV設備（光刻波長為13.5nm）才能做7nm芯片，而有的廠商用DUV設備（光刻波長為193nm）就可以做出7nm芯片，做同樣的產(chǎn)品，前者需要更多的投資去購買更新近的設備，而后者則不需要。這就是通過高水平工藝提升分辨率W所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

依據(jù)方程式，有4種方法可以提升分辨率W，而對于工程師來說，其中最方便的方法莫過于增加sinθ了，對于半導體廠的工程師來說，只要向老板多申請一些經(jīng)費，訂購大一點的鏡頭和機器就好了，因此，工程師會采取的首選方案，往往就是在sinθ上做文章。

增加sinθ需要大量的投資，而且越來越貴，此外，目前sinθ已經(jīng)提升到0.93，已很難再提升，而且其不可能大于1。這樣，我們可以通過改變波長λ來進一步提升光刻的分辨率。

減小k1也是一種方法。k1是一個系數(shù)，在顯微鏡應用當中，k1最小只能降到0.61，再小的話，東西就會模糊，看不清楚了，而在光刻領域，則不存在這個問題，只需要考慮線的位置，只要能曝光就好，因此，可以把k1降低到0.07。

通過改變k1，可以不用更換鏡片，不用改變波長和光阻，就可以提升分辨率，具有很好的經(jīng)濟效益。此外，DOF還有可能會增加。減小k1有這么多的好處，但其實現(xiàn)起來并不容易。

還有一種方法是增大n。n是折射率，通過改變n，也可以提升光刻系統(tǒng)的分辨率，最簡單的方法就是在鏡頭和晶體之間加入水，以代替空氣，也就是浸潤式系統(tǒng)，通過增大n，可以得到短波長的效果。

當NA大于1的時候，特別是1.35NA時，需要放入具有特別構造的鏡片，由于涉及到商業(yè)機密，下圖中沒有給出1.35NA的示意圖，目前有兩家公司可以做到這一點，他們采用不同的方法實現(xiàn)。

浸潤式的原理，利用光通過液體介質(zhì)時會彎折的特性，顯微鏡的影像透過浸濕的鏡頭會進一步放大。相反地，當光線通過浸在液體中的微縮影鏡頭時，就能將影像藉由折射率進一步縮小。

這里用水作為介質(zhì)是最為經(jīng)濟高效的，否則就需要花幾億美金去研發(fā)新的、更好的介質(zhì)，這樣太耗費資金和時間，而且不一定能保證成功，算起來是劃不來的。

作為浸潤式光刻技術的發(fā)明人，林本堅對于產(chǎn)業(yè)的技術水平提升和經(jīng)濟效益做出了巨大的貢獻。隨著EUV的普及，更多的先進技術還會誕生，將繼續(xù)把半導體光刻發(fā)揚光大。

投身人才培養(yǎng)

憑一己之力發(fā)明了浸潤式光刻技術，并經(jīng)歷過在企業(yè)的輝煌之后，最近這些年，林本堅將主要精力放在了半導體年輕人才的培養(yǎng)上。

特別是在中國臺灣地區(qū)，這里在全球半導體業(yè)處于領先地位，一直是靠大學培育的優(yōu)質(zhì)人才撐起來的，如果要保持世界領先地位，就必須掌握原創(chuàng)性技術，而這需要高水平的學術研發(fā)環(huán)境。

林本堅指出，如果只要提供半導體業(yè)所需的人力資源，大學就可以做到，臺灣地區(qū)清華大學與頂尖企業(yè)合作設立半導體學院的目的，就是要培育能與全世界競爭的領袖級半導體人才。

如何培育半導體領袖人才？林本堅訂出了兼具“專才、通才、活才”的人才培育方針。他表示，學生首先要選擇一個專業(yè)，如半導體材料等，進行深入鉆研，成為該領域的“專才”。而要與團隊內(nèi)的設計等其他領域?qū)２艤贤ê献?，必須具備半導體跨領域?qū)υ捘芰?，也就?ldquo;通才”。

半導體技術進步極快，經(jīng)常出現(xiàn)意想不到的新問題，此時更需要能解決未知問題及開創(chuàng)新局的“活才”。具備以上三才，方能成功領導研究及工程部門。