台積電功臣林本堅：我們過去被光刻嬌縱慣了

本文轉自微信公號“未來論壇**”** （futureforum）

2018年9月8日，林本堅因開拓浸潤式微影系統方法，持續擴展納米級集成電路製造，將摩爾定律延伸多代榮膺2018年未來科學大獎—數學與計算機科學獎。

林本堅（圖自“未來論壇”）

林本堅是誰？他做了什麼？

對於林本堅獲獎，軟銀遠景基金合夥人同時也是未來論壇理事會輪值主席的陳恂帶着有點小激動的心情説：“大概從2006年開始至今，世界上所有的高端芯片-包括咱們人手一部的手機裏的核心芯片，人工智能芯片，5G芯片，比特幣挖礦芯片，無一不是浸潤式光刻科技製造的。説沒有浸潤式光刻科技就沒有IT的今天，毫不誇張。

世界上第一個提出這個科技的就是林本堅。咱們的科學家委員會能夠找出林本堅這樣在工業界作出世界級、決定性貢獻的華人科學家真是令人佩服。這樣的人在中國，絕無僅有。一個創新決定了人類信息科技幾十年的軌跡。林本堅就是那種典型的科學家風範-大家見到就知道了。幾十年如一日，樸素平實。”

林本堅是虔誠的基督教徒，待人和善，説話的時候語調總是慢慢的輕輕的，以前的同事和晚輩都稱他“Burn爺爺”。但是，當面對自己的工作和研究時，這個和善的老先生就會無比堅定。

林本堅從小生長在越南西貢，父親是當地英文高中的校長，高三那年，他獨立一人來台就讀新竹中學。出於對物理的喜愛以及工作機會的思量林本堅在隔年考台大時選擇了電機系，進而與電磁波結緣（所有的光都是電磁波）。

從台大畢業後，林本堅又前往美國俄亥俄州立大學攻讀博士學位。回想美國的求學經歷，林本堅笑説不只高手雲集，課業也重。“當時教我物理的是楊振寧的弟弟楊振平，要求很嚴格。過去在台大我從沒熬過夜，沒想到在那邊要熬夜趕功課。”

快畢業時，林本堅詢問導師求職的方向。由於林本堅以全相學（Holography）為博士論文，對方建議他循着一本光學月刊背後所登載的贊助公司，一家一家寫求職信。愛好攝影的林本堅本來最中意的是柯達（Kodak），沒想到求職信杳無迴音，反而是另外兩家—IBM T.J. Watson Research Center與貝爾實驗室（Bell Labs）找上門來。

起初，林本堅還很納悶，IBM一個電腦公司需要光學做什麼？入職後才發現，原來芯片產業所有的零件和芯片都需要光學來做小型和微型化。林本堅自己也沒想到一做就是二十二年，談到IBM的紮實經歷，最讓林本堅印象深刻的是同事間不吝分享、討論的氛圍。“有什麼想法就可以找同事來談。同事也會用很open的態度跟你分享他的看法與知道的資訊。”

儘管如此，林本堅在IBM的道路並非一帆風順。林本堅早年在IBM半導體部門做深紫外光光刻研究時，公司的發展主流，卻是另一項X光微影科技。不但人力資源遠超過他的團隊，而且，負責X光光刻的主管，同時也是林本堅的頂頭上司。他在公司處境之尷尬可想而知。

這位以好好先生著稱，人們幾乎沒見過他發過脾氣的「Burn爺爺」，竟不甘忍氣吞聲，以幽默的方式，公開與上司唱反調。

某天，X光微影研究有了重大進展，他的上司發給每人一件T恤「X ray works」（X光有用）以資慶賀，林本堅竟是在下面加了三個字，成了「X ray works - for the dentists」（X光可用，是在牙醫診所），還用磁鐵掛在他辦公桌後面的檔案櫃上，昭告所有路過的同事。（值得一提的是，深紫外光，成了半導體過去三十年的主要光源，X ray則至今仍未商用化。）

然而形勢比人強，林本堅還是在50歲時，申請提前退休創業。林本堅本想憑藉自己的科研經驗創業，因而成立領創公司（Linnovation，Inc.）。然而創業後，林本堅才發現專利在美國維持不易，小公司的發明更常常被大公司佔便宜。當原有競爭對手被一個更大的公司併購後，林本堅開始擔心。“我開始希望出現一個大公司把我的公司買下，不過一直沒有大公司出現。”

後來，台積電的副總蔣尚義打電話給林本堅，希望他帶領由光罩和光刻兩個部門合併後新成立的光刻制像科技發展處。林本堅認同蔣尚義的安排，雖然沒有公司來買下自己的公司，但台積電這家大公司邀請他去服務也是不錯的選擇。“我想這也許是個機會，而且台積電本來就是我的顧客，我瞭解台積電的潛力，跟妻子和心中的主溝通完後，我就決定去了。”林本堅從此與台積電結了緣。

改變了芯片歷史

2002年，全球芯片產業進入發展瓶頸期，摩爾定律也因此止步不前。摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會新增一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦效能，將每隔18-24個月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術進步的速度。

後來人們對它進行歸納，主要有以下三種“版本”：

1.集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18-24個月就翻一番。

2.微處理器的效能每隔18-24個月提高一倍，而價格下降一倍。

3.用一個美元所能買到的電腦效能，每隔18-24個月翻兩番。

以上幾種説法中，以第一種説法最為普遍，第二、三兩種説法涉及到價格因素，其實質是一樣的。三種説法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即“翻番”的週期都是18-24個月，至於“翻一番”（或兩番）的是“集成電路芯片上所集成的電路的數目”，是整個“電腦的效能”，還是“一個美元所能買到的效能”就見仁見智了。

芯片產業所遇到的問題主要出自光刻技術。光刻技術決定晶片上的最小圖形尺寸，可以説是芯片生產中最重要的一道步驟。當時，業界已經把光刻機的工藝做到了用193納米波長的光來成像。若根據摩爾定律把最小圖形繼續縮小，下一代光刻機所用的波長就應該縮短到157納米，因為光學的波長越短，越高解析度的影像就可以轉接到晶圓的光阻上，讓刻出的電路更精細，芯片上就可以承載更多的電路。芯片裏容納的電路可以越多，效能也就越強。

當時的光刻機以乾式光刻技術為主，乾式光刻是以空氣作為鏡頭與晶圓間的介質，讓光罩上的圖形在晶圓上成像。然而，從193納米到157納米，微縮比例不到20%，達不到摩爾定律的要求。而且業界雖然研發多年，卻卡在鏡片材料的製造週期上，始終無法達到所需的規格，而且光阻的透明度也很難提高。

由此造成157納米工藝無法按著摩爾定律要求的期限內完成。依照當時的進度發展，全球芯片產業甚至摩爾定律都將陷入停滯狀態。

正所謂時勢造英雄，當時已在台積電擔任光刻技術研發負責人的林本堅，早已注意到這個瓶頸。他換個角度思考，發現可以在原有193納米乾式光刻鏡頭上發展浸潤式光刻，改用水代替空氣作為介質，注入為浸潤式設計的鏡頭與晶圓上的光阻之間，把進入光阻的光波長縮到134納米。因而提高44%解析度的影像就可以轉接到晶圓的光阻上，讓刻出的電路更精細。就是這個思考讓林本堅相信，改變原本的193納米乾式曝光為浸潤式，就可以讓工藝前進兩代半甚至三代。

同年，林本堅受邀到美國參加一場以157納米波長為主題的研討會，本來大會邀請林本堅是去討論157納米工藝的。結果林本堅直接拋出了**“運用水作為193納米浸潤式的介質，可以超過乾式的157納米”**的論點，整個會場就像被扔下了一顆炸彈，所有人的思路都被打開了。大家直接拋棄157納米議題開始討論193納米浸潤式。

不過，台下的芯片業者也都提出了自己的疑問，有人提到水會不會產生氣泡？水會不會污染設備？是不是要做防水？怎麼做？水遇熱會膨脹，折射率會改變，怎麼解決？科技既然是林本堅提出來的，那解決問題的重任自然也就落到他身上。

但解決了問題還不夠，“最重要的是做量產機器的廠商願意投入才行啊。配套的廠商總共在157納米光刻機研發上投入了不下十億美元，更有廠商建好了157納米鏡頭材料的工廠。”林本堅的理論若被採用，等於宣告其他的人前功盡棄。台積電高層蔣尚義曾回憶，“（當年）確實有大公司的高層首長表達嚴重關切，希望我能管管他（林本堅），不要攪局。”

林本堅提出的浸潤式光刻技術在台積電高層張忠謀、蔣尚義的大力支持下，開始放手一博。一批曾和林本堅一起奮鬥的台積電首長記得，起初反對方常在國際研討會上與台積電針鋒相對，質疑以水做為介質易產生污染，且水中的氣泡會影響曝光等等。

對外界疑慮有備而來的林本堅，決定更徹底解決，便帶著團隊做該做的實驗，寫該寫的論文。他自己也完成三篇論文，投稿到國際期刊，連還未被提出的質疑也一併設想、響應。

除了技術的理論，林本堅的溝通也做得徹底，當時他跑遍美國、日本、荷蘭與德國等地，一一拜會業界，勸説他們繼續投入157納米是浪費錢浪費時間，促使艾斯摩爾與尼康等國際大廠轉向。 “原本一個美國大廠的代表説他們絕不用這科技，結果一年後，他們也用了。”

林本堅在台積電研發的期間帶領團隊從130納米、做到90納米、65納米、40納米、28納米、20納米、和16納米，並開始研發10納米、7納米、和5納米。他的創新和推動不但讓全球芯片工藝得以往下推進了6、7代，台積電也因此躋身一線大廠、主導業界規格。台積電董事長張忠謀曾稱，假如沒有林本堅及其團隊，“台積電的光刻技術不會有今天這規模。”

2015年底，林本堅從台積電退休，隨後應邀加入清華大學，擔任講座教授。他原規劃退休之後，只做兩件事，就是傳福音及幫助人得到更豐富的生命、後來一想，教書也是幫助人得到豐富生命的好方法，“我在產業界服務了46年，學到很多，也希望能教給下一代。除了教導專業知識外，他點出，學生在校常只為自己的成績競爭。因此希望能激發學生創意，教導他們解決問題以及團隊合作的能力。這是他想教給清華學生的一項重要能力。

與未來科學大獎結緣

林本堅一生獲獎無數，曾10度獲美國IBM傑出發明獎、美國IBM傑出貢獻獎、2008年當選美國國家工程學院院士……，更在2014年獲選為台灣中研院院士，成為台灣最高學術殿堂首位企業界院士。如今，林本堅又獲得2018年未來科學大獎數學與計算機科學獎，獎金100萬美元。

2018年9月8日的新聞發佈會上關於林本堅獲獎的消息一公佈，中國科學院計算科技研究所研究員，先進電腦系統研究中心主任也是未來論壇青年科學家理事包雲崗代表未來論壇和未來科學大獎與林本堅進行了電話採訪，採訪內容如下：

01

獲獎感受：意外

**包雲崗：**首先要恭喜您獲得未來科學大獎，因為我本身是做芯片設計的，聽到您獲獎的消息我和我的同事們都非常高興，因為這不僅是對您個人的獎勵，整個芯片行業都非常激動。不知您此刻有何感想呢？

**林本堅：**謝謝，謝謝，我自己也很激動。其實有點意外，沒想到會把獎給到我。我是蠻高興，雖然我也接受過很多獎勵，但未來科學大獎還是比較特別的。首先，這是來自大陸的獎項。其次，是對我從事的事業的肯定。我只是做了我該做的事情，得獎讓我覺得我的事情做對了。

02

後摩爾定律時代如何創新

**包雲崗：**光學對芯片產業真的非常重要，整個產業能夠按照摩爾定律繼續發展和製造技術有很大關係。但是現在有種觀點，認為摩爾定律正在終結。大家感到擔憂。不知道在這種後摩爾定律時代，您覺得我們應該怎樣創新？

**林本堅：**我們過去是被光刻嬌縱慣了，因為光刻技術每一代負責微縮70%，其他創新的腦筋因此而變懶了。摩爾定律是從尺寸上不斷微縮，但是微縮是有極限的，有一天達到1納米甚至原子級別，那之後怎麼辦呢？摩爾定律講的是新一代芯片的效能比上一代更強、價格變便宜、電路也比原來更多，就一定會有人購買。

雖然尺寸不能再縮小，但還是可以想辦法讓芯片賣得更便宜或者可做的事情比原來更多，這樣一樣可以有賣點。你們是做芯片設計的，那這個重擔就落在你們身上了。從經濟角度來看摩爾定律還是可以繼續延續的。

03

對大陸芯片科技的建議

**包雲崗：**您説的很對，在我們設計領域就有這樣一個研究，發現同樣一個軟件，讓不同的程序員在同一個芯片上編程性能差六萬八千倍。如果用摩爾定律來換算的話，有20年的代差。現在就有人研究，用同一個或者不同的晶體管由不同的程式師來程式設計，以此實現效能上的代差。確實有些空間可以發掘。芯片產業在大陸還是一個軟肋，對於大陸發展芯片科技，有什麼可以改進的地方或者做得更好地地方嗎？

**林本堅：**大陸其實有很大的潛力，大陸有市場、有好的學校、有好的人才。我最近出了一本書，名為《把心放上去：林本堅的「用心則樂」人生學》，書的主題就是把心放上去。大陸現在有錢有人有市場，只要把心放上去，只要齊心協力去做就一定會成功。

04

學術研究與企業科研的區別

**包雲崗：**您在企業裏做出了這麼了不起的科技，您在企業裏做過科研，也在學術做過學術研究。你覺得這兩者有什麼不同？

**林本堅：**這個我的書也有講過，我現在在學校裏當老師，學校強調分數和成績。這樣的話，學生之間就存在競爭關係。遇到心胸不夠寬廣的同學，他/她會防範其他同學，不與其他同學分享和交流。

我在學校裏給同學們做作業或考試，沒有一個人得到一百分。但是，如果把他們正確的地方加在一起，就能達到一百分。這説明什麼？他們其實各有長處，如果大家做到了充分交流，那大家都能得一百分。我們做研究的時候，需要團隊合作，所以一定要創造交流分享的氛圍。在企業裏，好的老闆應該知道怎麼安排團隊，不要重複別人的工作，讓好的人做擅長的位置，並且帶領大家互尊、互信、互助。