谁发明了193nm水浸没式光刻机？

光刻机是九大芯片制造设备之首，其重要性毋庸多言。浸没式光刻机一般特指193nm水浸没式光刻机，是芯片产业发展的里程碑进展之一。193nm水浸没式光刻机从45nm纳米技术节点开始成为芯片光刻技术的主流设备，一直到7nm（第一代N7和第二代N7P）。一共经过45nm、40nm、32nm、28nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm共九个技术节点，影响了芯片产业长达20年之久。

193nm水浸没式光刻机对当前中国芯片业的重要性也是众所周知。最近，华为Mate 60 Pro的突然发售，使193nm水浸没式光刻机再次成为国内外媒体热议的话题。

迄今为止，全球能生产商用的193nm水浸没式光刻机的厂商只有荷兰的ASML公司和日本的Nikon公司。共有6款193nm水浸入式光刻机广泛应用于先进存储器和逻辑芯片的量产。其中ASML公司有4款，Nikon公司有两款。单次曝光分辨率理论上可以达到38nm，实际上达到40nm。

6款商用193nm水浸没式光刻机

ASML公司宣称，其最先进的型号为TWINSCAN NXT 2100i的193nm水浸没式光刻机采用了一种全新的镜头失真调控器，为芯片制造商提供了前所未有的校正能力。它具备每天曝光超过6000片晶圆的能力，单机套刻精度达到了0.9 nm，不同机台套刻精度达到了1.3nm，能够改进与EUV光刻机的交叉匹配套刻。

最先进的型号为TWINSCAN NXT 2100i的193nm水浸入式光刻机

ASML公司宣称，自2024年1月1日起，ASML公司将基本不会获得向中国客户发运TWINSCAN NXT：2000i及后续推出的浸润式光刻系统的出口许可证。也就是说，只有型号为TWINSCAN NXT 1980i的193nm水浸没式光刻机才能对中国大陆出货。

那么，谁是浸没式光刻的发明人？本文将以实证的方法探究此问题。

百度和文心一言这么说

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文心一言回答“谁是193纳米水浸没式光刻的发明者”问题

林本坚是ASML公司、中国台积电公司崛起的关键人物，被称为中国台积电公司“研发六骑士”之一。台积电创始人张忠谋曾评价：“假如没有林本坚及其团队，台积电的微影不会有今天的规模”。

显然，假如没有林本坚及其团队，ASML公司可能也不会有今天的规模。

当然，历史不容假设。无论如何，ASML公司、中国台积电公司的崛起，都离不开193纳米水浸没式光刻机。

林本坚做193nm水浸没式光刻机学术报告

中国台湾清华大学电机系主任徐硕鸿教授评曾评价：“林本坚院士是改写半导体历史的巨擘，也是光学微影技术的先驱者，清华能够延揽到这位谦虚又乐意传授的国际人才任教，非常荣幸” 。

杰出的半导体科学家林本坚博士

林本坚的父母早先时候居住在香港，在抗战时期到了越南。1942年，林本坚出生在越南，中国台湾人，祖籍广东潮汕 ，少年时代在中国台湾求学。林本坚是美国工程院院士，台湾“中央研究院”院士，2018年未来科学大奖的数学与计算机科学奖获得者，台湾清华大学、台湾交通大学、台湾大学特聘讲座教授，清大—台积电联合研发中心主任。

林本坚博士的杰出成就。

1963年，林本坚获得台湾大学电机工程学系学士；1970年获得美国俄亥俄州立大学电机工程学系博士；毕业后，林本坚进入IBM公司工作，一干就是22年，在50岁时选择提前退休。2000年，回到中国台湾，加入了中国台积电公司，2000年—2015年历任台积电资深处长、杰出科技院士和副总经理；2008年当选美国国家工程学院院士；2014年当选台湾“中央研究院”院士；2015年底从台积电退休。

林本坚博士最大科学成就就是水浸没式光刻机。

193nm水浸没式光刻原理。

林本坚博士从台积电退休后，和妻子一同为俄亥俄州立大学母校创办助学基金。林本坚博士2018年获得有“中国诺贝尔奖”之称的未来科学大奖，将100万美元奖金全数捐入基金会。 

近年来，林本坚博士将主要精力放在了半导体年轻人才的培养上。担任中国台湾清华大学与台积电、力积电等10家顶尖半导体企业合作的半导体研究学院院长。他提出了兼具“专才、通才、活才”的人才培育方针。他表示，学生首先要选择一个专业，如半导体材料等，进行深入钻研，成为该领域的“专才”。而要与团队内的设计等其他领域专才沟通合作，必须具备半导体跨领域对话能力，也就是“通才”。半导体技术进步极快，经常出现意想不到的新问题，此时更需要能解决未知问题及开创新局的“活才”。具备以上三才，方能成功领导研究及工程部门。

林本坚博士与水浸没式光刻机的

不解之缘

林本坚博士和浸没式光刻的结缘可以追溯到1987年。1987年，林本坚博士还在IBM工作，“当时在IBM，写个单子就能买最先进的设备，发个文章就能领先全世界” 。在“微影路线之争”的背景下，林本坚博士在《Microelectronic Engineering》杂志上发表了光刻论文。题目是“The Future of subhalf-micron Optical Lithography”,即“亚半微米光学光刻的未来”。论文明确指出“The actinic wavelength can effectively be reduced by using an immersion fluid between the front element of the lens and the wafer” 。即“通过在镜头最后一块镜子和硅片之间填充液体，可以有效减少等效光学波长”。

1987年林本坚博士的开拓性论文：亚半微米光学光刻的未来

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，林本坚博士本人是如此描述：

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）。大家的希望都寄托在157纳米的波长上。 

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，有些还会污染芯片。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百分之卅多，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。

接着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。

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。

林本坚博士亲自撰写的书。

未来科学大奖与水浸没式光刻机

2018年，林本坚博士荣膺未来科学大奖“数学与计算机科学奖”。是未来科学大奖2016年创立以来首位来自我国台湾的获奖者。其获奖评语为“表彰他开拓浸润式微影系统方法，持续扩展纳米级集成电路制造，将摩尔定律延伸多代。”

林本坚博士杰出成就简介

官网如此介绍：“虽然原始的浸润式概念在80年代曾提出过，但距离可实现的方法很远。为使得全面表征及优化浸润式微影系统，林本坚定义了并导出了关键性能指标和缩放公式，为极高解析度的三维浸润式微影光学系统规范了必须遵行的缩放定律”。

显然，未来科学大奖官网对林本坚博士杰出成就的介绍是经过林本坚博士本人审阅的，具有最高的权威性。

但是，未来科学大奖官网的介绍并没有指出，林本坚博士是193nm水浸没式光刻机的发明人，并且强调：“原始的浸润式概念在80年代曾提出过”。

浸没式光刻的前身

浸润式显微镜的提出

浸没式光刻起源于浸润式显微镜。前者的功能是将图案缩小投影到光刻胶上，后者的功能是将图案放大到CCD探测器上。浸润式显微镜由意大利科学家 Giovanni Amici发明。

意大利科学家 Giovanni Amici。

Giovanni Amici是意大利显微镜学家、天文学家、光学仪器设计师和植物学家。小行星阿米奇（Amici，编号3809）就是以他的名字命名的。1840年，他将油浸技术引入显微镜，将光学像差降至最低。这种油浸式显微镜沿用至今。

1855年，Giovanni Amici发明了水浸润式物镜。浸润式物镜的原理，简单来说，就是增大物镜的数值孔径。显微镜的影像通过浸润式镜头会进一步提高分辨率。同样，当入射到光刻系统的光波通过浸润式微缩影镜头时，光刻的分辨率就会获得提高。当然，当时光刻技术尚未问世，Giovanni Amici自然不清楚现在的水浸没式光学光刻是什么东西。

19世纪80年代，德国卡尔蔡司公司首次引入浸没技术，以提高光学显微镜的分辨率。

浸没式光刻技术的提出

自从G线光刻机（通过步进和重复运动的缩小倍率曝光工具）被引入半导体行业以来，投影光学的数值孔径（NA）一直在逐渐增加。然而，这一趋势在2005年左右突然发生了变化，NA迅速增加。目前，NA达到了1.35。这种巨大的变化是通过193nm水浸没式光刻技术来实现的。

光刻机投影光学的NA（数值孔径）发展历史

早在G线光刻机时代，浸没式光刻的概念就被提出来了。1980年，来自欧洲中部的内陆袖珍国家，列支敦士登公国首都瓦杜兹的W.Tabarelli 和E.W.Lobach提出将浸没式原理应用于光刻机，并申请了美国专利，专利题目是 “Photolithographic method for the manufacture of integrated circuits”, 美国专利号U S 4346164, 该专利1982年被授权。该专利摘要如下：

在用于制造集成电路的光刻方法中，通过投影透镜将具有图案的掩模成像在覆盖半导体衬底的光敏层上。为了提高分辨能力并避免不利影响，例如驻波和不均匀曝光，在曝光期间用透明液体填充衬底和投影透镜的相邻边界面之间的空间，该透明液体具有与感光层相同的折射率。

该项专利被引用1228次。

1982年，W.Tabarelli 和E.W.Lobach的浸没式光刻专利。

1982年8月17日，W.Tabarelli 和E.W.Lobach再次申请了将浸润式原理应用于光刻机的美国专利。专利名称是“Apparatus for the photolithographic manufacture of integrated circuit elements”，专利申请号是US06408727。1985年4月9日，该专利获得授权。授权号是US4509852A。该项专利被引用2490次。

1985年，W.Tabarelli 和E.W.Lobach的浸没式光刻专利。

浸没技术通常用于显微镜，浸没式光刻是一种自然的延伸。然而，当时，W.Tabarelli 和E.W.Lobach的发明专利没有被用于商业光刻机的开发。主要原因是当时光刻机厂商可以通过降低波长的方法来提高分辨率，从G线到I线，再到248nm，再到193nm，并且NA也在不断提高之中。简而言之，干式（非浸没）光刻技术正在不断发展提高中。

1998年，显然，日本光刻机两大巨头之一的Nikon公司已经意识到自己的157 nm光刻技术路线可能错了，开始布局浸没式光刻技术专利。1998年3月26日，Nikon公司的Yoshio Fukami 和Nobutaka Magome提交了浸没式光刻技术专利申请，专利名称是“Projection exposure method and system”。1999年3月16日，该专利被授权。该PCT国际公开日是1999年9月30日，国际公开号：WO99/49504。该项专利被引用1964次。

1999年Nikon公司的浸没式光刻专利。

在2002年2月的SPIE微光刻会议上，来自麻省理工学院（MIT）林肯实验室的M．Switkes 和 M. Rothschild 报告了157nm浸没实验的结果。此外，他们还报道了去离子水（纯化水）对于193nm的曝光是足够透明的。在193nm浸没的情况下，所谓的“基础设施问题”似乎不存在，这是157nm问题常见的普遍困难。157nm光刻需要大量的高质量CaF2晶体。此外，抗蚀剂材料和有机薄膜材料在光刻工业中需要新的材料开发和供应结构。另一方面，如果纯化水适用于193nm的浸没，似乎不需要“基础设施开发”，因为纯化水在半导体行业已经很常见，并且193nm的所有光学材料都已经开发出来了。

在同一会议上，已经任职于中国台积电公司的林本坚博士做了大会（Plenary）报告，彼时，林本坚博士60岁。该演讲进一步坚定了光刻产业界选择浸润式光刻技术路线的信心，尤其是该技术路线得到了ASML公司的力挺。

2002年林本坚博士的Plenary演讲报告。

林本坚博士的Plenary演讲报告原文如下：“由于NA已经大于0.9，并且随着NA的进一步增加而回报递减，浸没式光刻可能是额外节点的关键。浸没式光刻的关键是具有在光学波长中具有足够的透射性并且对透镜和抗蚀剂表面是惰性的。开始研究浸没流体是相对便宜的。一旦确定了流体，就必须解决许多问题；即，抗蚀剂的脱气，曝光或扫描过程中流体折射率的不均匀、流体的摩擦导致的扫描速度减慢，以及潮湿环境的混乱。其中一些问题可以通过在盖子下循环流体并不断过滤来缓解。流体可以被排放到储存器中，使得晶片环境在晶片装载期间完全干燥”。

Nikon 公司的Soichi Owa 和 Hiroyuki Nagasaka 做了如下评论：“B. J. Lin also reviewed the possibility of immersion lithography at the same conference. His review did not specify the wavelength, but his mentioning of immersion was one of the motivations for immersion development. It became worthwhile to begin feasibility studies for some lithographers.”

中文翻译如下：“林本坚在同一次会议上也回顾了浸没式光刻的可能性。他的评论没有具体说明波长，但他提到的浸没式说法是浸没式发展的动机之一。开始对一些光刻研究者进行可行性研究变得有价值。”之后，林本坚博士经常奔跑荷、德、美、日各地作技术和商业的交谈，逐一拜会龙头企业。

转接点发生在2003年。2003年7月，光刻机厂商展示了193nm水浸没式光刻机的开发计划。Sematech及其成员公司将其开发资源从157nm重新定位到193nm水浸没式光刻机。2003年10月，林本坚团队到ASML作技术讨论时，ASML公司展示了第一片用浸润式曝光机在光刻胶上的光刻结果。

2004年8月，ASML公司的第一台193nm水浸没式光刻机（TWINSCAN AT:1150i，0.75NA，-工具）交付给Albany Nanotech工厂，用于早期水浸没式光刻研发。随后推出了TWINSCAN XT:12500i、XT:1400i，并于2006年推出了第一台批量生产的浸入式机器XT:1700i。宣告193nm水浸没式光刻机正式量产。

2007年，ASML公司推出了TWINSCAN XT:1900i浸没系统，其数值孔径为1.35，为当时业界最高。今天，如本文开头所述，TWINSCAN XT:2100i浸没系统已经广泛应用于美、日、欧、韩等国家和中国台湾省的芯片厂。

几点看法

回到本文开始提到的问题：谁发明了193nm水浸没式光刻技术？以下看法仅代表作者本人的观点。

1、1855年，意大利科学家Giovanni Amici发明了水浸润式物镜。作为该技术的延伸，1980年，列支敦士登公国的W.Tabarelli 和E.W.Lobach提出将浸没式原理应用于光刻机，并申请了美国专利。但是，这些专利没有指明这种液体就是去离子水，也没有指定193nm工作波长。

2、1987年，在IBM工作的林本坚博士在《Microelectronic Engineering》杂志上发表了论文，指出“通过在镜头最后一块镜子和硅片之间填充液体，可以有效减少等效光学波长”。但是，他似乎没有指明这种液体就是去离子水，也没有指定193nm工作波长。

3、1998年， Nikon公司已经意识到自己的157nm光刻技术路线可能错了，提交了浸润式光刻技术专利申请。但是没有下定研发193nm浸没式光刻的决心，而且，当时业界还不清楚必须要选择去离子水作为浸没液体。

4、2002年2月的SPIE微光刻会议上， MIT林肯实验室的M．Switkes 和 M. Rothschild 指出去离子水对于193nm的曝光是足够透明的。同一会议上，在TSMC工作的林本坚博士做了Plenary报告，回顾了浸没式光刻的可能性。按照林本坚博士的自述，“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。”

5、按照Nikon公司研究人员的说法，“他的评论没有具体说明波长”。Nikon公司研究人员指出：林本坚博士的贡献“开始对一些光刻研究者进行可行性研究变得有价值”。该Plenary报告原文中，林本坚博士没有明确指出193nm工作波长，也似乎没有指明这种液体就是去离子水。但是指出，“一旦确定了流体，就必须解决许多问题”。当然，该Plenary报告原文仅仅是一份参考材料。

6、在“微影路线激烈之争”的大背景下，正如未来科学大奖官网所介绍：“林本坚定义了并导出了关键性能指标和缩放公式，为极高解析度的三维浸润式微影光学系统规范了必须遵行的缩放定律”。

7、在157nm光刻和193nm水浸没式光刻两条技术路线之争中，ASML公司战胜了日本劲敌。“当时全球对157纳米光刻的投资远超过10亿美元，其中单单一家曝光机台的厂商号称已投资超过7亿多美元”。这些157nm光刻技术的研发费用就此打了水漂。ASML公司和中国台积电公司进一步快速崛起，前者成为了当今光刻机厂商的一哥，后者成为了当今代工厂的一哥。

8、1955年，贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯和沃尔特·邦德开始合作，将制造印刷电路的曝光技术应用于芯片光刻，拉开了芯片光刻技术产业快速演化的序幕。近60年来，光刻技术的变革之路，尤其是193nm水浸没式光刻和EUV光刻的变革之路，充满曲折，所涉及的学科门类之多、技术难度之复杂、产业链之漫长、投入资金之多，远超芯片业界的想象。

毫无疑问，先进光刻技术的每一点进步，都凝聚了众多科学家、工程师和企业家的智慧、努力和艰辛。

参考资料

1、未来科学大奖得主林本坚：喊停一艘“航母”的芯片大师。澎湃新闻，2018-12-05.

2、https://www.spie.org/news/immersionlitho-intro?SSO=1#:~:text=The%20immersion%20technique%20was%20first%20introduced%20by%20Carl,157nm%20lithography%20was%20delayed%20by%20several%20technical%20problems.

3、http://www.futureprize.org/cn/laureates/detail/6.html.

4、Soichi Owa and Hiroyuki Nagasaka， Immersion lithography: its history, current status, and future prospects ，Proc. of SPIE Vol. 7140，, Lithography Asia 2008, 714015 (4 December 2008) .

5、“浸润光刻之父”林本坚科普光刻技术。电子工程世界 2022-08-31.

6、https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/amici.html.

7、Burn.J. Lin，The Future of subhalf-micron Optical Lithography，Microelectronic Engineering，6：31-51（1987）.

8、Burn.J. Lin，Semiconductor Foundry, Lithography, and Partners. Emerging Lithographic Technologies VI, Roxann L. Engelstad, Editor Proceedings of SPIE Vol. 4688 (2002) .

9、Tabarelli W, Lobach E W. Apparatus for the photolithographic manufacture of integrated circuit elements: US4509852[P]. 1985-04-09.

10、Yoshio F, Nobutaka M. Projection exposure method and system: world intellectual property organization WO/1999/049504[P]. 1999-09-30.

11、https://cj.sina.com.cn/articles/view/5772303575/1580e5cd701900w5kh.

12、Tabarelli, W. and Lobach, E. W., “Photolithographic method for the manufacture of integrated circuits”, United States Patent 4,346,164, filed in 1980, (1982).

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