从孔子的《两小儿辩日》到浸没式光刻机

从孔子的《两小儿辩日》到浸没式光刻机

Tu Xiang Zheng (涂向真)

孔子东游，见两小儿辩日，问其故。一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”一儿以日初出远，而日中时近也。一儿曰：“日初出大如车盖，及日中则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？”一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？”

孔子不能决也。两小儿笑曰：“孰为汝多知乎？”

孔子的《两小儿辩日》，是阳光在旁晚时通过大气层要比中午厚些，因而由大气层透镜成像的放大倍数要大一些，因而两小儿辩论起来看到太阳大小不一样。这个故事说明，我们的老祖宗很早就发现了阳光的折射产生的现象，只是不知道其原因。

本来，老祖宗留下的遥遥领先世界的科学头脑，子孙后代应该继承发扬，可惜发明浸潤式微影技術的是Takanashi等人（The idea for immersion lithography was patented in 1984 by Takanashi et al.），而不是孔子的子孙，该发明用到了折射率大于空气1的液体介质，

Immersion lithography is a photolithography resolution enhancement technique for manufacturing integrated circuits (ICs) that replaces the usual air gap between the final lens and the wafer surface with a liquid medium that has a refractive index greater than one. The resolution is increased by a factor equal to the refractive index of the liquid. 

好在有一位在越南出生的华人，全球第一大晶圓代工廠台積電的資深處長林本堅（Burn J. Lin）提出同样的原理，并于2002年在台积电做出了浸潤式光刻机样机，引起全世界半導體產業的强烈反响。

物理學家阿米西（Giovanni Battista Amici）曾在義大利佛羅倫斯的實驗室裡，把一滴液體加在標本上方，藉此改善顯微鏡的成像品質。現在，過了165年，全球的半導體產業才準備好要採納阿米西的創新技術。把晶片浸在淺薄的液體層中，製造出的電路線寬，可望媲美病毒大小。

想縮小晶片上的電路，最常見的方法包括縮短光波波長，使機器能在晶圓上投射出較小的電路。微影技術工具的製造商，在製作可投射157奈米波長機台的過程中，遇到無數困難。要從一代微影技術升級到新一代，必須採用全新的雷射、光罩（鏤空板，可讓雷射在晶圓上投射出電路樣式）、可縮小影像與曝光位置的透鏡，還有光阻劑。但是在157奈米之下，儀器製造商無法以氟化鈣琢磨出合適的透鏡，要不是缺陷太多，就是像差太大，無法在晶圓上清楚成像。IBM微電子先進微影技術開發部門資深經理龔巴（George A. Gomba）就指出：「材料品質與製造量都面臨重大的問題。」

2002年夏天，在半導體研究聯盟（Sematech）主辦的157奈米微影技術的研討會上，這個技術出現重大進展。全球第一大晶圓代工廠台積電的資深處長林本堅（Burn J. Lin），在會中發表有關浸潤式微影技術（immersion lithography）的演說。這項技術源自阿米西的創意，早在1980年代任職於IBM時，林本堅就已經開始研究。他原訂在會中講述浸潤原理，說明某種黏稠的機油在157奈米技術上的可能應用。不過他整個演講卻都在解釋，為什麼微影技術在157奈米下不可行，並力主業界應該把焦點放在如何將浸潤技術運用於193奈米機台上，也就是前一代既有的微影技術設備。　

2003年7月，半導體研究聯盟再度針對浸潤式微影技術召開研討會，吸引眾多與會者前往IBM的阿馬丹研究中心。經過六個月的模擬與實驗，10項技術障礙全部可望獲得解決。半導體研究聯盟浸潤式微影技術策略的專案經理格倫維爾（Andrew Grenville）指出：「我們原先擔憂的所有重大議題，到頭來都是可解決的。」研發的腳步越發加快了。 2003年12月，荷蘭微影工具製造商艾司摩爾推出浸潤式機台的原型；到了2004年底，IBM推出一批實驗性微處理器，最小線寬已達90奈米。