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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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林本堅以浸潤式微影技術開創產業未來

黎瑛蕊

因為他,193奈米浸潤式微影方式問世,改寫全世界半導體微影藍圖;因為他,產業界花在前一代技術將近10億美元後停止繼續失血。他是台積電奈米影像技術研究發展副總經理,林本堅。


光,是林本堅一生的興趣,是他一生的信仰,更是他一生對於半導體產業貢獻的最佳寫照。

因為在浸潤式微影(Immersion Lithography)技術上的成就,台積電奈米影像技術研究發展副總經理林本堅獲頒今年度的國際電機電子工程師學會(IEEE)西澤潤一獎(Jun-ichi Nishizawa Medal)。浸潤式微影,這個十年前還不為人所認可的技術,在林本堅頻頻奔走於國際研討會,以傳教士精神鼓吹推動下,不僅扭轉半導體產業從乾式微影技術轉為以水為介質的浸潤式微影技術,這項發明,讓半導體的摩爾定律得以在55奈米製程之後仍得以沿續,更讓台積電成長三個技術世代,得以享受技術領先的優勢。

過去半導體晶片製程中,主要採用乾式曝光,以空氣為鏡頭和晶圓之間的介質,把光罩上的圖形在晶圓上成像;而浸潤式微影則是以水為介質,在鏡頭和晶圓之間注入水,光的波長在水中縮短,得以刻出更精密的晶片。

2002年全球半導體製程技術一路從0.13微米、90奈米到65奈米製程時,開始出現撞牆期,當時半導體業界都把157奈米乾式曝光機當成是理所當然的下世代曝光技術,微影設備大廠也投入超過7億美元在157奈米曝光機技術上。但幾年下來,鏡片所需的高品質材料和光阻的透明度一直無法突破,無法在晶片刻出更精密的電路,但又提不出解決辦法來,157奈米波長的光刻技術(Optical Lithography)似乎已經走到山窮水盡,近10億美元的研發費用就這樣蒸發。

預言技術極限 轉攻浸潤式微影

但其實早在半導體製程技術出現撞牆期的15年前,林本堅就已經預見到乾式顯影技術的侷限性。1987年,他建議微影技術要再發展下去,就必須從乾式轉向浸潤式。2002年,他提出與其在技術極限的157奈米波長繼續鑽下去,倒不如回頭善用193奈米波長的光,用水把有效的波長縮成134奈米,比157奈米更短。

在193奈米波長的基礎上,林本堅利用最不起眼的「水」,演繹了完美的光魔術,他在193奈米乾式微影鏡頭前滴上一層一公釐至二公釐的水,讓波長變短。波長越短,越強解析度的影像就越能從鏡頭轉接到晶圓的光阻上,刻出的電路就越精密,製造出的晶片上就有更多的電路。但當時世界半導體大廠都認為乾式微影才是正道,加上已重金投資研發,林本堅的堅持,猶如螳臂擋車,不為業界所重視。

2002年時,林本堅已在台積電擔任微影技術研發負責人,當時半導體產業仍在苦苦思考,當製程技術微縮到90奈米以下時,微影技術該何去何從。

以水為介質 創造短波長

同一年,轉捩點發生了。當時林本堅受邀遠赴美國參加一場以157 奈米為主旨的研討會,原本大會只是找他去講157奈米的浸潤,作為157奈米乾式微影的延續,「插花」一下。沒想到輪到他演說時,他發表了「以水為193奈米浸潤式的介質可以超越157奈米」的理論,讓他在這場研討會中主客易位。

他對著現場二百多位半導體業者清楚運算出,「193奈米光波,透過水的折射率1.44,把它一除就得到134奈米波長的光。」大家聽到134奈米,全都睜大眼睛。之後,大家把原本討論的157奈米都丟一邊了,全部圍繞在193奈米浸潤式的話題上。

林本堅說,當初想到用水當成介質,其實只是想到在半導體實務經驗中,水是大家可以普遍接受的材料,隨處都有且不會造成污染。只是沒想到這個想法,後續獲得各家半導體廠認同,均統一採用水做為介質。

這場會議兩年後,荷蘭商ASML半導體設備公司放棄原本的157奈米微影曝光機研發,與台積電共同開發的193奈米浸潤式微影機台問世,包括IBM及比利時微電子研究中心在內的十家已經訂購157奈米乾式機台的業者,決定全部退單,跟進採購193奈米浸潤式微影機台。難能可貴的是,台積電雖然在193奈米浸潤式微影曝光機成功引領新技術,但並未獨占此專利,林本堅表示:「專利最好是能達到合作功效,而非拿來抵制!」

2005年底,在半導體業界裡有著崇高地位的IEDM(IEEE International Electron Devices Meeting)國際研討會上,受邀演講的林本堅,發表「次65奈米製程以下的微影技術」(Lithography for Manufacturing of Sub-65nm Nodes and Beyond),只要將空氣換成水這更濃的介質,就可以推進到將近20奈米的半導體世代,又一次獲得滿堂彩。他感慨地說「到目前為止,過了10奈米的世代以後,全世界還沒有發展出能繼承浸潤式的技術,讓摩爾定律能繼續下去。」這位世界級微影大師, 用水和光玩弄出的產業魔術,是他人生擅長的第一道光。

從攝影啟蒙 開啟對光的興趣

第二道光,是他的最愛,一生鑽研的攝影光學!

林本堅出生於越南,在西貢附近的堤岸市長大,家境小康。父親是當地英文中學校長,外祖父是船商,他在越南受過完整的華僑教育。高三那年,他獨自一人遠渡來台就讀新竹中學,隔年考上台大電機系。能在產業有如此優異的成績,林本堅回想起來,可能起源於母親送他的一台老式照相機。「那台相機我心儀了許久,每次看母親拿在手上,我就很羡慕。13歲那年,母親正式把那相機送給我,開始了我對『光』的好奇。」 也許真是上帝給他的天分,林本堅對於光的興趣和掌握超過一般人,他不單拍照,也研究「光線」背後的意義。

在念台大電機系時,林本堅特別著迷結合物理和數學的電磁波學,後來他到美國俄亥俄州立大學投入當時新興的雷射研究。到他攻讀博士時,全相學(Holography,雷射光立體攝影術)當紅,他便一頭栽入這股浪潮中。全相學可以將三度空間裡每一點的資料錄下來,包括能完整保存光的繞射(diffraction)所有資訊,他以全相學完成博士論文。

林本堅說,他的攝影經驗從拍照到暗房,甚至國外唸書時,也以幫未來的妻子拍照為由,開啟了生平第一次與她的約會,甚至還曾想要靠它賺點外快。當時在博士班念書的他曾突發奇想,到畢業典禮替畢業生拍照,然後利用學校研究室的暗房沖洗照片,以飛快的速度洗好相片,貼在一個畢業生非經過不可的店舖的櫥窗上,上面有訂購所需的資料。這種廣告當然要付租金,是成本之一,而此模式堪稱是當年的「快照」,但這個完美的計畫,結果卻不太成功。林本堅說:「當天畢業生臨時換了集合地點,所以只有很少的客人上門。」幸好這個計畫沒讓他一鳴驚人,否則林本堅拍照拍出了前途,如今半導體發展歷史,可能又要改寫了!

林本堅博士論文是跟光有關的全相術,職業的專長是微影學(Lithography),這些都和成像有關,光學的知識幫助攝影,攝影的技術增進光學。他說,他在高科技界若有點成就,和他對攝影美學的陶冶應該有密切的關係。

在信仰中找到人生的光

第三道光,是林本堅的信仰!

光從何而來?14歲不到的林本堅,對很多事都充滿好奇,腦袋裡似乎永遠充滿疑問。當時在越南住家的對面正好有一間教堂,他的弟妹都好奇前往,唯有他無動於衷,還嚴詞教訓弟弟妹妹說:「宗教就是迷信,基督教是洋教,你們絕不可以再去。」長兄如父,林本堅的話弟妹不敢不聽,就再也不敢踏進教會。

林本堅原本極端排斥基督教,但後來在偶然的機會下,有位同學向他傳福音,才讓他堅定自己的信仰。取得博士學位的林本堅,因為對拍照和光學的熱愛,首選工作是去柯達,但投去的履歷卻沒有回音。相反地,他原本認為不太可能去的IBM,竟通知他去面試。面試前他如往常靈修禱告,正好讀到提多書三章八節:「這話是可信的,我也願你把這些事切切實實的講明,使那些已信神的人,留心做正經事業。」林本堅心中一震,難道上帝是要他進入IBM嗎?結果這一待就超過二十年,也奠定他在光刻技術領域的深厚學養,做出當年光刻技術最短波長的光線,他說:「那時沒有人知道怎麼叫它,我把它叫『深紫外線』(Deep UV)。」這種由林本堅命名的光線,直到四十年後的今天仍被廣泛應用,變成光刻顯影技術的主流。

迄今,他仍將他在人生與事業上的成就歸給上帝,總說:「水是一個大神蹟,水在4℃時密度最高,到0℃結冰時,浮到水面形成保護層,讓冰下的魚不致被凍死,這是個大神蹟。」談到事業,他則說,「用在193奈米,水的折射率在這波長特高,又非常透光,而且水被半導體工業廣泛使用,沒有阻力;是神救了魚之後,照顧半導體工業的另一神蹟。」

林本堅曾在工研院信望愛社團團契分享時,訴說上帝創造的奇妙。他說,科學證明有神,只能證明到一半,要證明沒有神,也只能證明到一半,剩下另一半的證明要靠人的信心,因為神看重人的信心。人憑藉神給他的自由意志選擇相信神,要得著更大的福氣。對於他在半導體製程定位,被形容為「改寫半導體歷史」的半導體之光,他謙稱,一切都是神給的恩典。

林本堅在半導體製程上的下一次挑戰,是帶領浸潤式技術做到10奈米製程,再一次挑戰半導體的極限,從單次曝光技術,轉至雙重曝光技術。林本堅表示,有挑戰,才有成就,這個信念不但讓半導體技術及製程再突破,電路越做越小,在這人類生活全面廣泛走向行動世代的當口,相關的技術將是最大的支撐力量!

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