林本坚亲自揭秘：加入台积电研发浸润式光刻的幕后故事

现年80岁的林本坚，自今年4月底辞任力积电独立董事暨薪酬委员会委员之后，开始将主要精力放到了半导体人才培养方面。目前，林本坚是台湾中研院院士、台湾清大特聘讲座教授，并担任去年12月正式成立的台湾清大半导体学院院长。

作为“浸润光刻之父”，林本坚曾在IBM工作22年，期间带领研发团队创造出许多世界第一的技术。2000年加入台积电，在2002年就研发出了193nm浸润式光刻技术，让台积电在55nm之后继续推动摩尔定律前进了7个技术世代，成为世界的领先的晶圆代工业者。同时还间接帮助ASML打败了尼康，最终成为全球第一大光刻机厂商。

在林本坚亲自撰写的《把心放上去：「用心则乐」人生学（增订版）》书中，也将“发明并推广浸润式光刻，把摩尔定律推进了七代”列入自己在光刻领域的八项贡献之一”。

2015年，林本坚作为研发副总从台积电退休时，台积电创始人张忠谋为他举办的晚会上发表感言，张忠谋特别表示：“假如没有你和你所建立的团队，台积电的微影（光刻技术）不会有今天这规模。”肯定了林本坚过去在台积电15年难以被取代的建树。

林本坚毕生致力于半导体制程科技，为半导体产业写下许多记录，卓越的研发成就让其荣获包括NAE Member，IEEE Fellow、SPIE Fellow 等多项荣誉，对台积电、台湾半导体产业、世界半导体产业影响深远。

在IBM时就在研究EUV光刻

林本坚从小生长在越南西贡，父亲是当地英文高中的校长，高三那年，他独立一人来台就读新竹中学。出于对物理的喜爱以及工作机会的思量林本坚在隔年考台大时选择了电机系，进而与电磁波结缘（所有的光都是电磁波）。

从台大毕业后，林本坚又前往美国俄亥俄州立大学攻读博士学位。回想美国的求学经历，林本坚笑说不只高手云集，课业也重。“当时教我物理的是杨振宁的弟弟杨振平，要求很严格。过去在台大我从没熬过夜，没想到在那边要熬夜赶功课。”

快毕业时，林本坚询问导师求职的方向。由于林本坚以全相学（Holography）为博士论文，对方建议他循着一本光学月刊背后所登载的赞助公司，一家一家写求职信。爱好摄影的林本坚本来最中意的是柯达（Kodak），没想到求职信杳无回音，反而是另外两家—IBM T.J. Watson Research Center与贝尔实验室（Bell Labs）找上门来。

起初，林本坚还很纳闷，IBM一个电脑公司需要光学做什么？1970年，林本坚入职后才发现，原来芯片产业所有的零件和芯片都需要光学来做小型和微型化。林本坚自己也没想到一做就是二十二年，谈到IBM的扎实经历，最让林本坚印象深刻的是同事间不吝分享、讨论的氛围。“有什麽想法就可以找同事来谈。同事也会用很open的态度跟你分享他的看法与知道的资讯。”

尽管如此，林本坚在IBM的道路并非一帆风顺。林本坚早年在IBM半导体部门做深紫外光（EUV）光刻研究时，公司的发展主流，却是另一项X光微影科技。不但人力资源远超过他的团队，而且，负责X光微影的主管，同时也是林本坚的顶头上司。他在公司处境之尴尬可想而知。

但这位以好好先生著称的人，竟不甘忍气吞声，以幽默的方式，公开与上司唱反调。

某天，X 光微影技术有了重大进展，他的上司发给每人一件 T 恤「X ray works」（X 光有用）以资庆贺，林本坚竟是在后面加了 3 个字，成了「X ray works – for the dentists」（X 光可用，是在牙医诊所），还用磁铁挂在他办公桌后面的文件柜上，昭告所有路过的同事（值得一提的是，深紫外光，成了半导体过去 30 年的主要光源，X ray 则至今仍未商用化）。

在美38年，要回台湾吗？

从1970年起，我在IBM工作了22年。

2000年4月26日开始在台积电上班。事情的发生不在我的计划中，后来却越来越清楚是上帝奇妙的安排。

在IBM工作的同时，我创立了一家公司，叫做Linnovation（就是Lin+Innovation），意译是领创，音译也可以念成林创。公司在美国德州的奥斯汀城设立。一年后，就搬到佛罗里达州的天柏城。2000年，台积电来找我的时候，领创正进入第9年。

当年的年初，我接到严涛南经理（当时在台积电任职，现任ASML全球副总裁）的电话，问其有没有兴趣到台积电来接手一个研发微影（光刻）的处。我觉得有点不解。应该是职位比处长高的来问我，会比较合理一些。更特别的，他问我年纪有没有超过50岁，因为这是需要符合的条件。我请他不必担心，其已经57岁。接着他跟林本坚解释是蒋尚义研发副总要他打的电话。如果我有兴趣，蒋副总会亲自给他打电话。

那时候，领创有些产品卖到台湾，台积电是我的客户之一。我对台积电和跟我互动的台积电工程师的印象很好，我就告诉他台积电的邀请是值得考虑的。过了没几天，蒋副总就给我打电话，告知我他要设立两个部门，一个负责芯片的微影，另一个负责光罩。两位部经理中负责芯片的会是严涛南。另一位负责光罩的部经理会是林进祥。

这2位我都见过面，有互动过，我对这两位人选觉得很合适，而且觉得把光罩和芯片的微影放在同一个处是很有远见的。芯片上的成像和光罩的成像有很多相同，而且可以互相帮助，应该放在一起推动，蒋副总的构想很有远见。接着他请我到台积电面谈。

我说好，5月能去。他说太久了，问我最近忙什么事。我解释说2月27日要到加州参加一个SPIE 主办的国际微影研讨会。他说何不开完会就继续西飞到台积电，全程的机票钱由台积电支付，也可以节省佛罗里达州到加州的飞机票钱。我想也对，就调整原来的计划，3月6日到台积电面谈。

台积电和我面谈的人除了邀请我的蒋副总，记得有总经理曾繁城，管营运（Operation） 的副总左大川，管整合研发（R&D Integration）的处长孙元成和模组研发（R&D Module）的处长梁孟松；还有严涛南、林进祥两位部经理。面谈很顺利，这些面谈者有些听过我的演讲，有些上过我的课，有些是IBM的老同事，唯有蒋副总是以前不认识的。

 到了第2天，蒋副总问我这2天的感想，并邀请我到台积电当资深处长，把薪水、配股、就职奖金等都告诉我，而且跟我说，要我赶去面谈的原因是要我在四月之内加入台积电，迟一点加入会拖慢1年才能领到股票分红。对领股票一事，我当时没有太多的感觉。接着有另一位资深处长5月到任，办公室在我的隔壁，也是基督徒，后来成为好朋友，我才知道蒋副总果然讲的很对。

当时我谢谢蒋副总的好意，说要回去跟老板商量才能决定。蒋副总知道我开公司，是自己的老板，老板何来？其实，我有老板，第一位老板就是我的妻子—我平时常开玩笑说她是我的老板。我也常说她是我的Lothersecookmaid，就是我的爱人、孩子的母亲，家中的秘书、主厨、女佣。我把这些身份的英文拼成一个英文字如上。这位老板的细述，请见「王子和公主，过了54年之后……」。

另一位老板比任何老板都大，是我生命的主。蒋副总对这样的心态不陌生，有一次在追述往事时，他告诉我以前邀请另一位基督徒副总时，他也说需要寻求主的旨意。另外一次追述往事时，他说我没有跟他讨价还价，让他觉得我与众不同，所以把最好的待遇都给了我。又有一次追述往事，他说我是他所聘的人中觉得最得意的。我受宠若惊，心中感谢主，也感谢蒋副总对我的赏识。

我说要跟老板商量，蒋副总说当然当然，可是不要商量太久。一方面公司需要人，另一方面过了4月底来报到，股票会少拿很多。其实那时候我还不是台积人，对股票一知半解。我看到的是台积电的需要和我的专长非常吻合。台积电又是一个很成功的公司，我所见到的人都是很聪明能干的人，值得一起打拼，一起做大事。

我回家后，跟修慧说应该认真地考虑到台湾，可是我们必须确定这是上帝的旨意。我在美国生活了38年，2个孩子都大学毕业，也都在美国成家自立了。妻子修慧在美国的电话电报公司（AT&T）有一份很好的工作。我们2人在教会有很多事奉，现在要连根拔起把家搬到台湾，是需要很多考量和祷告的，否则我们离开天柏的事奉去追逐自己的理想，是不讨上帝喜悦的。

当我告诉教会的弟兄姐妹们我要回台湾，大家都很不解。因为那时候我和修慧的入息还不错，住在海边、有120坪大的房子。修慧常常在海边走路运动，我常常在海边拍摄日出。其实房子是身外物，我们舍不得离开天柏城，是因为那里的弟兄姐妹。我教主日学，也是诗班的指挥，当过执事会的主席，牧师常常请我讲道。那时候因为自己开公司，时间弹性大，我们有好几年的圣诞节可以花很多时间练习把John Peterson和David Clydesdale等作曲家的清唱剧演唱出来。修慧也在诗班事奉，是女高音的台柱之一。后来我先回台湾，她就接手指挥诗班，也唱了很多很好的曲子。修慧带领青少年，很得到他们的信赖，对他们的人生方向和处世态度很有帮助。怪不得弟兄姐妹不明白我们为什么要离开属灵的家，到离别了38年的地方去冒险。真是人心没有想到的。

究竟是什么感动让我离开美国到台积电？

接着的几天我们迫切地祷告，可是天并没有打开，也没有声音叫我们去台湾。我想蒋副总快要打电话来了，开始有点焦急。有一天在思考的时候，我顺手把桌子上的记事本翻了一下，翻到我在1999年12月1日记下来的一则祷告。当天，我因为竞争对手和一家大公司合并，所以对自己公司的竞争力相当担忧，恳切地求主给我一个对策。其实我心中希望祂帮我找一家公司来和我合并，并不是求祂差一家公司来聘我，而且我心目中有2个公司觉得可以试一试。

为了慎重起见，我把祷告的事项和日期写在记事本中，以便将来上帝听我祷告的时候，可以记得感谢祂。可是过了一阵子，上帝好像没有理我。不料第2年的2月蒋副总给我打电话。我3月到台积电面谈，现在回到美国又向上帝祷告，几乎忘记了12月曾向祂祈求过。

看到了记事本，觉得有可能这就是上帝给我的回应。可是主啊！你只安排了工作，教会的事奉呢？难道祢不喜欢我事奉吗？对了！圣经中哥林多前书2章9节不是说“上帝为爱他的人所预备的，是眼睛未曾看见，耳朵未曾听见，人心也未曾想到的”吗？我没想到台积电，可是上帝用台积电回应我的祷告。焉知祂不会用我想不到的方法来安排我的事奉？

4月25日是公元2000年的复活节。天柏教会有一位姐妹向牧师建议把复活节的讲台让给我，以便我向弟兄姐妹们交代如何知道到台积电是上帝的旨意。我就用哥林多前书这段经节讲了一篇复活节的道。先讲马利亚在复活节时准备了香膏要去膏耶稣的尸体，没有想到主会复活，不料看到的是复活的主而喜出望外。真是眼睛未曾看过，耳朵未曾听过，人心未曾想到的。我就这样抓着这金句到了台积电。

上帝为我在台积电的工作所准备的机会和在台湾安排的事奉，在本书的其他各章会记载。我当时祷告中想求祂帮我合并却不敢告诉祂的公司，到现在都消失了，台积电却增长了好几倍。我的团队也从开始的50人增长到700多人。退休时微影的世代从130纳米推进到快要量产7nm，研发到5nm。

上帝的道路的确高过我的道路。

浸润式微影——改变半导体业的发展方向

浸润式微影，从45纳米的世代成为生产半导体的主流，到现在的5纳米，一共经过7个世代，其中有好些曲折的经过。要微影界放弃将近10亿美元的投资，改用浸润式，终究不是一件简单的事！

1987年，我应邀在研讨会中发表有关光学微影的论文。当时我演讲的主题是有关“光学微影的蓝图，将来会碰到什么瓶颈，有什么方法突破这些瓶颈”。当光学微影的解析度提高时，景深会随着下降；而且下降的速度会比解析度增加的速度快，迟早会碰到景深的瓶颈。我提出很多方法，并提出到了没有其他方法时，浸润式可以解决问题。1987年业界正要准备1000 纳米的量产，我帮IBM研发两个世代以后的技术，也就是500纳米；那时还有很多方法可用，不需要浸润式这牛刀。

从1000 纳米到750、500、350 、250、180、130、90纳米，半导体业者每一代都用了一些巧妙的方法过关。到了65纳米的世代，波长已缩短到193纳米，镜头的孔径也到了0.93，各种有创意的方法已经把同样波长及孔径的解析度增加了超过两倍，很难再有突破。13.4纳米的极紫外光（EUV）遥不可及（13.4纳米是当时的认知，现在改正为13.5纳米）。大家的希望都寄託在157纳米的波长上。

△光刻分辨率（R）主要由三个因数决定，分别是光的波长（λ）、光可穿过透鏡的最大角度（镜头孔径角半角θ）的正弦值（sinθ）、折射率（n）以及系数k1有关。除了光刻分辨率之外，焦距深度（ Depth of Focus，DOF）也至关重要，大的焦深可以增大刻蚀的清晰范围，提高光刻的质量。而焦距深度也可以通过提高系统的折射率（n）来改进。

157纳米这波长很不好用。其中一个主要原因是这波长的穿透率很低，只有少数可用的介质是透明的，这波长一共有五个瓶颈需要突破：

(1)镜头的材料就是一个瓶颈。唯一有希望的介质是单结晶的二氟化钙（CaF2）。可是要做出20–30公分大小的完美结晶非常困难。拉结晶要很有耐心，整个过程需要约90天。在这期间所需的温度、拉速、震动、周遭的环境等都不能有任何变动。这么长的学习周期，用数百个熔炉都无法改进学习的速度。

(2)感光物质的穿透率及耐蚀刻性，也令发展光阻的高手伤透脑筋。

(3)光罩的材料因二氟化钙价钱太高， 而且不耐用， 只好用穿透率差的石英（quartz），对高准确度的成像有影响。

(4)在光罩的聚焦区以外的平面有一层透明的护膜，作用是挡开会附在光罩上产生影像瑕疵的微粒。在157纳米的波长发展不出既透明又能伸展的薄膜。用石英的硬片取代则产生无应力把硬片吸附在光罩上的难题。

(5)因为空气中的氧气会吸收157纳米的光，光经过的整个路径必须只有氮气，造成很多不便，会增加制造的成本，而且如果意外漏出太多氮气会致命。

2002年2月，我受邀到SPIE 的“国际微影讨论会”作个全会众出席（Plenary）的演讲，其中一个要点是微影技术的下一步应该怎么走。

我分析了157纳米和13.4纳米，不认为这两个技术能及时解决问题，让摩尔定律按进度迈进。这是我在1987年之后，再次提出浸润式的可能性，并发表了浸润式设备及操作的示意图。有些听众听进去了，其他的听众觉得浸润式还是一个冷门的技术。

当年的9月，有一个针对157纳米的技术研讨会，主持人邀请我去讲浸润式微影。他可能属于在2月时把我的演讲听进去的听众；事隔7个月，想多听一点我的想法。那天因为是157纳米的研讨会，大家认为我要讲用浸润式继续推进157纳米。其实我在2月还没有提到浸润式以前，已经说157纳米很难了，把浸润式加到157纳米，不是难上加难吗？

在MIT林肯实验室的两位研究员M.Switkes 和M. Rothschild，在157纳米的浸润式液体上作了很多研究，这些液体穿透率不高，又是油性，有些还会污染晶片。他们顺便也量了水的折射率，得到1.46（这是当时的数据，后来他们小心再量测得到1.44），这是在193纳米波长的折射率。水在157纳米波长的折射率是量不出来的，因为不透光。

我看了1.46这数字很有感觉，因为水的折射率在一般的波长是1.3多。所以在一般波长下用水做浸润式的介质只能改进30%多，但若改成现在可用的最短波长193纳米，1.46的折射率特性，水能把解析度增加46％，这太好了。水又是半导体生产线上大量使用的液体，接受度不成问题。那两位林肯实验室的研究员没有注意到水，可能因为他们专心想在157纳米上突破。

我算了一下，157纳米只比193纳米短23％，换句话说，只能把解析度提高23％，用193纳米加水可以提高46％，几乎是两倍。因为波长只在水中变短为132纳米。光在进入水前的波长是193纳米，可以避开所有157纳米的困难，能改进46％，又容易被半导体业接受，真是天造之合，是上帝给半导体业的奇妙安排。这就好像上帝使冰的密度比水低，让冰浮在水面上而使下面的水不容易结冰，这个物理现象可以保护鱼类，是祂给生物界的奇妙安排。

接著我在研讨会发表用水配合193纳米，能比干式的157纳米多增进一世代，而且比后者容易开发。结果全场轰动。我演讲后，所有交谈的时间大家都在讨论这个题目。更震撼的是在2004年的2月，有数千人聚会的SPIE“国际微影谈论会”—就是我在2002年提到浸润式微影的研讨会—其中有一个以157纳米为主题的会场，虽然有文章发表，却没有听众。193纳米浸润式微影的会场却挤满人。

虽千万人，吾往矣！

轰动归轰动，要说服光刻机台的厂商研发并量产浸润式机台却困难重重。问题出在全世界的研发方向都朝向157纳米，不但有很多厂商和研发单位投注到这波长，而且全球对157纳米的投资远超过10亿美元；单单一家光刻机台的厂商号称已投资超过7亿多美元。他们觉得我在搅局，并想说服我的老板阻止我。幸亏蒋尚义老板很有见识，也相信我的能力，并没有采取行动。

我和组内的同仁必须写好几篇论文，从理论的观点证明浸润式微影的可行性及优势，并驳斥一些错误的负面看法。我们也及早申请了应该申请的专利，并继续在国际技术讨论会发表论文。最重要的是必须说服厂商提供机台。

因此我常奔跑荷、德、美、日各地作技术和商业的交谈。这样辛苦耕耘了一年多，在2003年的10月，我们到荷兰作技术讨论时，ASML给我们看刚刚赶出来的第一片用浸润式光刻机在光阻（光刻胶）上的成像。当然皆大欢喜。接着台积电和ASML两个公司用很多年的苦功，把机台和制程研发到可以把浸润式微影驾轻就熟地用在量产上。

（芯智讯补充：在林本坚与ASML在积极推动浸润式光刻技术应用的同时，也遭到了一些设备大厂的抵制，因为该技术一旦广泛应用，将会使得众多在干式157nm光刻机路线上投入的设备厂商或晶圆厂损失惨重。据当时林本坚上司、台积电共同前营运长蒋尚义回忆，当时确实有设备大厂的高层主管表达严重关切，“希望我能管管他，不要搅局，”他在林本坚亲自撰写的书的序里写到。）

45纳米是用浸润式技术量产的第一代，接著在全球，40纳米、32纳米、28纳米、20纳米、16纳米、14纳米、10纳米、7纳米，都靠浸润式的技术生产。到了2012年，台积电总收入的47％是用浸润式技术生产的。当年台积电的总营收是170亿美元。2016年的总营收是320亿美元，浸润式技术生产的比例想必比2012年的要高得多。2017年的第一季，ASML的季度营收中，浸润式的机台占74％。我个人也因此得到公司内外的很多认可。这是上帝赐给我“眼睛未曾看见，耳朵未曾听见，人心未曾想到的恩典”。

• 力排众议，推动台积南科厂建设

除了浸润式光刻之外，林本坚的另一项在 IBM 工作时期完成的研究，“仿真机台震动对成像容忍度的影响”，看似不起眼，但对台湾科技业的持续发展，亦有巨大贡献。

编辑：芯智讯-浪客剑

以上内容，主要摘录自林本坚本人撰写的《把心放上去：「用心则乐」人生学（增订版）》

 

为您发布产品，请点击“阅读原文”