一个把水倒进镜头里的人

2002年7月，美国SEMATECH在那一年的157纳米光刻技术研讨会上请来了一位演讲者1。议程上的题目本是顺理成章的：怎样延长157纳米这一代光刻的寿命。整个半导体行业那时已经为157纳米这条技术路线砸下了大约二十亿美元23，所有大厂——英特尔、IBM、AMD——都默认，193纳米这一代光刻快走到头了，下一步要么硬上157纳米，要么干脆跳到更遥远的极紫外（EUV）。

走上讲台的人叫林本坚（Burn-Jeng Lin），台积电从外面挖来的资深处长。他没有按剧本讲157纳米怎么续命。他当着满屋子两百多名已经把身家压在157纳米上的人，直接说：157纳米这条路有难以克服的障碍，做不下去1。然后他抛出一个在很多人听来近乎荒唐的主意——别换波长了，回头给现成的193纳米机器加水。

具体说，是在镜头的最后一片透镜和硅片之间，灌进一层超纯水。193纳米的紫外光在空气里走，在水里也能走，而水对这个波长的折射率约是1.44。光进入水中，波长被压缩成原来的1/1.44，193除以1.44约等于134纳米。也就是说，不动光源、不换镜头材料、不重做光刻胶化学，仅仅靠一层薄薄的水，就能让一台193纳米的机器表现得像一台134纳米的机器3。

林本坚那句被反复引用的话是：“193-nm water-immersion has a better chance to succeed and a greater potential to reach for future technology nodes than 157-nm dry systems.”——193纳米水浸没比157纳米干式更有机会成功，也更有潜力延伸到未来的技术节点2。

这是一次“不换波长的波长世代切换”。在场的人当时未必都信，但回头看，这一脚临门，把摩尔定律又往前踢了好几代，一直踢到EUV在2019年勉强能量产为止。本章要讲的，就是从1980年代的汞灯黄光，到这层水，光刻这门“用光在硅片上印电路”的手艺，是怎样一次次撞上极限又一次次被掰开的；以及在这个过程里，美国人怎么把自己手里九成的天下输了个精光，日本人怎么坐上头把交椅又怎么被一家荷兰漏雨木棚里出来的公司反超。

瑞利的两个公式，和压低分辨率的三条路

要看懂这一章里所有的较劲，先得认下两个公式。它们是十九世纪英国物理学家瑞利（Rayleigh）研究显微镜分辨率时留下的，到了光刻这里成了贯穿一切的物理主轴。

第一个是分辨率公式：能印出的最小线宽 CD = k₁ · λ / NA。第二个是焦深公式：DOF = k₂ · λ / NA²4。

λ是波长，NA是镜头的数值孔径（numerical aperture，正比于镜头能收集光的张角），k₁、k₂是两个工艺系数。把第一个公式翻成大白话：想印出更细的线，只有三条路——缩短波长λ、增大数值孔径NA、压低系数k₁。这三条路，构成了从1980年到今天光刻史的全部主线。每一代技术升级，本质上都是在这三个变量里挑一个或几个去拧。

但第二个公式是个不留情面的代价表。焦深DOF——也就是成像还算清晰的那段纵向容差——和NA的平方成反比4。NA越大，线越细，可焦深掉得越快。焦深小到一定程度，硅片表面稍有起伏、稍有不平，图案就糊了。所以光刻工程师永远在走钢丝：一边想把线压细，一边焦深在脚下不断变窄。后面会看到，林本坚那层水的妙处，恰恰是它在压细线宽的同时，反而把焦深的账算回来了一点。

先看最直接的那条路：缩短波长。

黄光时代：g-line、i-line，和“把电路缩印进硅片”

最早的光刻光源，是汞灯。汞蒸气在放电时会发出几条明亮的谱线，工程师按惯例用字母给它们命名。其中436纳米那条叫g-line，是偏蓝紫的可见光；405纳米那条叫h-line；365纳米那条已经进了紫外，叫i-line。1970年代末到1980年代，主力是g-line。那时候车间里是一片昏黄——为了不让光刻胶被环境里的蓝紫光提前曝掉，整个光刻区都打黄光，这就是半导体厂里著名的“黄光区”。g-line能印出的线宽大约在一微米上下，正好配得上当年的芯片5。

第6章讲过，把电路“印”到硅片上这件事，是Noyce和仙童在平面工艺里立起来的范式：在硅片上铺一层感光的光刻胶，让光透过一张画着电路图案的掩模（mask）照下来，被照到的胶发生化学变化，显影后留下图案，再拿这个图案去刻蚀或掺杂。整个芯片制造，归根结底是把这套“曝光-显影-刻蚀”重复几十遍，一层层垒上去。

早期曝光用的是接触式和接近式对准机：把掩模直接贴在硅片上，或留一道极窄的缝隙，一次照亮整张片子。问题很直白——掩模和硅片贴着，互相蹭，掩模磨损、颗粒污染，良率上不去。

转折点是步进机（stepper）的出现。1978年，美国的GCA公司推出了DSW 4800——业界第一台成功的商用步进式光刻机。它的想法是：不再一次照亮整片硅片，而是把掩模上的图案通过一组缩小镜头投影到硅片的一小块区域上，曝完一块，工作台“步进”挪一格，再曝下一块，像盖邮戳一样把整片硅片盖满。DSW 4800用g-line，配蔡司（Zeiss）一枚0.28 NA的镜头，做10倍缩小，每次曝光10×10毫米的方块。这台机器其实是从D.W. Mann公司的照相重复机自然演化来的，β样机1977年先交给了IBM6。

步进机赢在两点：缺陷率和套刻精度都远好于当时主流的Perkin-Elmer投影对准机。到256K DRAM那一代，步进机彻底成了主流。一时间，美国厂商——GCA、Perkin-Elmer、还有后来做光源和系统的几家——占了全球光刻设备约九成的份额。1980年的世界光刻地图，几乎是一张美国地图7。

然后，这张地图在十年里被整个翻了过来。

美系崩盘：GCA的自毁与尼康佳能的反超

1980年，尼康（Nikon）推出了日本第一台商用步进机，型号NSR-1010G。它和GCA较劲的方式很聪明：GCA做10倍缩小，尼康做5倍缩小，再配上一枚分辨率更高的镜头。5倍缩小意味着同样的掩模精度下能印更细的线，而尼康的光学功底——它本来就是造相机镜头的——让它的镜头很快压过了对手。首批客户是NEC和东芝8。

GCA在日本市场的步进机份额，从1981年的68%，跌到1983年的约45%。份额是怎么丢的，背后有一个堪称“自毁”的故事。据业内编年与《芯片战争》的记述，GCA的创始人兼CEO米尔顿·格林伯格（Milton Greenberg），早年的精密镜头一度是向尼康采购的。两人后来闹翻、断了交。对GCA来说，这等于亲手把镜头技术和一个正在崛起的对手推开；对尼康来说，这等于被逼着自己上——它转头逆向工程了GCA的步进机，凭5倍缩小加更好的镜头迅速反超。一家把核心光学外包给未来对手、又和对手翻脸的公司，结局几乎是注定的。GCA在1988年被General Signal收购，1993年解散9。（这一段格林伯格“先买镜头后翻脸”的因果，主要出自带叙事色彩的二手记述，几个精确份额数字也是业界编年的近似值，宜当作“塌方的量级”而非逐点定论来读。）

Perkin-Elmer的下场也好不到哪去。它在投影对准机上的份额，从1980年的30%以上，跌到1984年的不足5%；1990年，它的整个光刻业务被Silicon Valley Group（SVGL）收购10。

数字大体能说明这场塌方：美系厂商的全球光刻设备份额，从1980年的约九成，暴跌到1990年的约一成；同一个十年里，尼康加佳能（Canon）合计掌控了全球约四分之三的市场11。（需要说明：不同来源对这场份额转移的口径并不一致——有的统计给美系1978年约70%、1982年约62%、日本1989年约70%，“九成对一成”是常被引用的更高口径；这里取近似值承载量级，不把任一精确百分比当成唯一定论。）

这是本书反复出现的“产业地理母题”的又一个标本：发明和早期领先在西方，量产和市场份额东移到东亚。第10章里DRAM的霸权从美国转到日本，这一章里光刻设备的霸权走的是同一条路，甚至时间都几乎重叠。不同的是，DRAM后来又从日本转到韩国和台湾，而光刻设备的故事还有第三幕——它最终落到了荷兰。

日本两强在这一阶段是真领先。按业内权威的光刻编年（Atsuhiko Kato整理、托管在Chris Mack的lithoguru网站上的那份里程碑年表），尼康在1984年推出了首台i-line步进机NSR-1010i3，把波长从g-line的436纳米推进到365纳米；佳能同年推出首台步进机FPA-1500FA（g-line）12。1988年，尼康做出首台KrF准分子激光步进机NSR-1505EX（0.42 NA，0.5微米），不过这台只用于研发和光刻胶开发，没进量产。佳能则在另一条路上深耕——它的老本行是接触/接近式对准机，1973年的PLA-300是日本首台接触式对准机，PLA-500/600系列在分立器件、MEMS、LED上一用就是四分之一世纪，1980年代它在日本投影对准机市场一度拿下90%13。这个“佳能擅长老式对准机”的伏笔，到浸没式那一幕会要了它的命。

准分子激光与化学放大胶：让深紫外能用起来的两块地基

i-line的365纳米之后，下一步是深紫外（DUV）：KrF（氟化氪）准分子激光的248纳米，和ArF（氟化氩）准分子激光的193纳米。波长从可见光一路压进深紫外，这是缩短λ这条路上最陡的两级台阶14。

但DUV不是把汞灯换成激光这么简单。它需要两块新的使能层先就位，否则根本用不起来。这正是本书的一条暗线：使能层比明星器件更决定历史——真正卡住或放行一代技术的，往往是某种不起眼的材料或工艺，而不是那台闪亮的机器本身。

第一块是光源。汞灯靠加热发光，要换波长得换一条天然谱线，没得挑。准分子激光不一样，它靠特定气体混合物在放电中形成“准分子”（一种只在激发态短暂存在的分子）发光，KrF给248纳米，ArF给193纳米，波长是被气体选定的14。光源供应商这条产业链也在这时成形：1986年Cymer公司成立，1989年正式入场，到九十年代和本世纪初拿下了超过80%的准分子激光份额15；1987年小松（Komatsu）出货了首台光刻用KrF激光KLE-630S16；1988年Cymer出货首台KrF激光原型CX-2LS，正是装在尼康那台NSR-1505EX上17。2000年，小松和优志旺（Ushio）合资成立Gigaphoton；2004年Lambda Physik退出DUV光源市场，从此准分子激光就只剩Cymer和Gigaphoton两家——这又是一个“产能向少数玩家收敛”的微缩样本18。

第二块，也是更关键的一块，是光刻胶。准分子激光的功率，相对汞灯并不算高，照在传统光刻胶上，曝光速度慢得没法量产。解决办法是IBM在1980年前后研发、1982年由伊藤洋（Hiroshi Ito）和C. Grant Willson（与Fréchet一道）首次报告的化学放大光刻胶（chemically amplified resist，CAR）。它的巧思是：光本身不直接完成全部化学反应，而是只激发出少量“光致产酸剂”，这点酸再像催化剂一样引发连锁反应，一个光子触发一长串变化，等于把微弱的曝光信号“放大”了。没有CAR，248纳米和193纳米的准分子激光根本撑不起量产产率。Willson后来去了得州大学奥斯汀分校当教授19。

光源和光刻胶就位之后，DUV才真正落地。尼康1995年做出业界首台真正可量产的KrF扫描机NSR-S201A（0.25微米）——这里要插一句机型形态的变化：早期是“步进机”（stepper），整块曝光场一次照亮、再步进；后来演化成“步进扫描机”（step-and-scan scanner），掩模和硅片同步反向移动，让光束扫过一道狭缝，用镜头里光学性能最好的中心那一条带成像，从而做更大的场、更好的均匀性。今天所有先进光刻机都是扫描机20。

压低k₁那条路：相移掩模与一桩双重错位

缩短波长是第一条路，增大NA是第二条路，剩下的第三条是压低系数k₁。k₁不是物理常数，它装的是工艺上一切聪明手段的总和——你越会“骗”光，k₁就能压得越低，同样的波长和镜头就能印出更细的线。这一类手段统称分辨率增强技术（RET）。

其中最漂亮的一招叫相移掩模（phase-shift mask，PSM）。普通掩模只控制光的明暗（透不透光），相移掩模则在掩模上做文章，让相邻开口透过的光产生180度相位差。两束相位相反的光在交界处相消，本来会糊成一团的相邻图案之间，凭空多出一道暗缝，分辨率能近乎翻倍。这是不缩短波长、不增大NA，纯靠“摆弄光的相位”换来的提升21。

相移掩模的来历，是本书最爱讲的那种“发明者与受益者错位”的故事，而且是双份的。专利在先的是日本人：尼康的工程师涩谷正人（Masato Shibuya）1980年9月22日在日本申请了相移掩模专利，1982年3月25日公开。论文成名的是美国人：IBM的Marc D. Levenson、N.S. Viswanathan和R.A. Simpson在1982年发表论文，第一次用实验验证了交替相移能让分辨率翻倍。今天教科书和综述里，PSM几乎总是和Levenson的名字连在一起，涩谷正人则在2001年从尼康退休，转去东京工艺大学当教授22。

这种错位在书里已经见过太多次：第5章里MOSFET的发明人阿塔拉和姜大元远不如拿诺奖的几位有名；第11章里舛冈富士雄发明闪存却拿了几百美元奖金。到了这一章，相移掩模是先申请专利的人默默退场、后发论文的人留名青史；而下面要讲的浸没式光刻，理念的专利同样在别人手里，真正把它推成产业转折的却是后来者林本坚。专利在先、落地在后，几乎成了这个行业的某种宿命。

157纳米之死：被一块晶体的“本征双折射”逼回头

按缩短波长这条主路，193纳米的下一站本该是157纳米——用F₂（氟分子）准分子激光。1990年代末到本世纪初，这是写在所有人路线图上的“下一代”。行业为它砸下了约二十亿美元23。

然后它死了，死得相当戏剧。

第一个病根出在镜头材料上。157纳米的紫外光，普通的石英玻璃已经吸收得太厉害，透不过去，必须改用氟化钙（CaF₂）晶体做透镜。可CaF₂有一个谁也没料到的毛病——本征双折射（intrinsic birefringence）。双折射会让一束光分成两束、成像错位，对要求极致清晰的光刻镜头是致命的。一开始整个行业都以为，这个双折射是晶体内部的应力造成的，只要把晶体做到零应力，问题就解决了。结果做出零应力晶体一测，双折射照样在24。那句后来被反复引用的判词是：“Everybody thought that this was due to stress in the crystal and that a zero-stress crystal would be the answer. That was wrong - the birefringence is there anyway.”——大家都以为是应力，零应力就能解决；错了，双折射照样存在25。这是材料本身的晶体对称性带来的，不是工艺缺陷，没法靠把晶体做得更好来消除。

第二个病根是软膜（pellicle）。掩模上方需要罩一层透明薄膜，把落下的颗粒挡在焦平面之外，免得灰尘印进芯片。193纳米有可用的软膜材料，157纳米下却找不到既透光又耐用的薄膜。再加上157纳米光刻胶本身也难搞。三座大山叠在一起，157纳米越走越像一条死胡同26。

2003年5月，英特尔做了那个引爆全行业的决定：把157纳米从路线图上删掉，宣布跳过它、直奔EUV。供应链的反应被当时的报道直接形容为“愤怒”（angry reactions）——那么多公司的二十亿美元投资，等于被一纸路线图变更悬空了27。

正是这个真空，给了林本坚那层水登场的舞台。157纳米作为“换波长”的常规升级已经走不通，而EUV（留到第21章详讲）当时还远在天边、八字没一撇。中间这段，需要有人想出一条不换波长的活路。

那层水：浸没式光刻的物理与三场工程恶战

回到本章开头那一幕。林本坚2002年的主张，核心是回到瑞利公式的第二条路——增大NA。

NA = n · sinθ，n是镜头和硅片之间介质的折射率，θ是光锥的半张角。干式光刻里，镜头和硅片之间是空气，n≈1，sinθ最多接近1，所以干式NA的极限大约在0.93到1.0，过不去。林本坚的办法，是把空气换成水。193纳米下水的折射率约1.44，于是NA可以突破1.0，一路推到1.35。这一下，等效波长从193降到约134纳米，分辨率比干式提升约30%到40%；1.35 NA在193纳米下的极限分辨率，大约是38纳米（半节距），对应45纳米节点28。

而且——这是最反直觉、也最关键的一点——水浸没在压细线宽的同时，并没有像单纯增大干式NA那样狠狠牺牲焦深。介质折射率提高带来的好处，让焦深的账重新算得过来。这正是当年它能压过“继续硬推干式高NA”的根本原因28。

要说清楚一件事：往镜头和硅片之间灌液体这个理念，林本坚不是第一个想到的。浸没显微镜可以追溯到1840年代，Amici就用油或水来增强显微镜的成像。光刻领域，1984年日立（Takanashi等人）的专利就提出在镜头和光刻胶之间放液体；1985年Perkin-Elmer的专利（发明人Werner Tabarelli和Ernst Lobach）干脆把镜头直接泡进水里。林本坚自己更早——1987年，他在Microcircuit Engineering Conference上发表《The future of subhalf-micrometer optical lithography》，就首次提出用水浸没来提升焦深，当时针对的是248纳米。但那个年代还有更省事的延寿路子可走，这个想法被搁置了十几年29。

所以林本坚真正的功劳，不在“想出”浸没，而在2002年那个特定的历史节点上，看准157纳米已死、EUV未到，力排众议把这个搁置已久的成熟理念，嫁接到现成的193纳米平台上，并推动它从一篇论文变成跑在产线上的机器。他在2002年10月为台积电申请了浸没式光刻的专利（美国专利US 6,788,477，2004年9月授予），理念在先、落地在后——又一次30。

把水灌进世界上最精密的光学系统和高速移动的硅片之间，听起来简单，做起来是三场工程恶战。

第一场是气泡。早期ASML的浸没演示里，曝光区的水中冒出了直径1到150微米的气泡——大的差不多有两根头发那么宽。气泡会散射并削弱193纳米光，直接毁掉成像。解法是把水做超纯并彻底脱气（de-gassing），把溶解在水里、会析出成泡的气体先抽干净31。（这个“1到150微米”的区间来自单一二手综述，姑且当作量级参考。）

第二场是污染。水会带走光刻胶里的某些组分，反过来污染昂贵的镜头光学；光刻胶的成分溶进水里，也会破坏成像。解法是给光刻胶加一层顶层涂层（topcoat），或者设计能自动分层的疏水光刻胶，把胶和水隔开。第三场是供水方式。最初的想法是把整片硅片浸在水浴里，但充水排水太慢，产率上不去。最终的解法很巧——放弃整片浸浴，改成“局部淋浴加抽吸回收”（showerhead），只在正在曝光的那一小块区域供水，工作台移到哪，水跟到哪，曝完立刻抽走。与此同时，蔡司的光学设计也从纯折射式（dioptric）转向折射加反射混合的折反射式（catadioptric），来应对高NA下镜片的种种新问题。这些难题一个个被拆开，到2008年前后，浸没式做到了“零缺陷级”32。

漏雨的木棚：ASML如何后来居上

把水灌进193纳米机器、真正做成产品并卖出去的，是一家在1984年才成立、起步时连个像样厂房都没有的荷兰公司——ASML。

ASML的创世神话，在半导体史里几乎人人会讲。1984年4月1日，它作为ASM Lithography成立，是飞利浦（Philips）和ASM International的50对50合资公司，使命是把飞利浦内部开发的PAS 2000步进机商业化。公司起步于飞利浦园区旁边一间漏雨的木棚，员工约31人（另一种说法是47人从飞利浦转入）。首款产品PAS 2000是技术和商业的双重失败：它用液压油驱动晶圆台，漏油不止；油泵的噪声大到团队实在受不了，只好搬来一个集装箱把油泵单独关进去隔音，用他们自己的话说，是“to keep everyone sane”——好让大家不至于发疯33。

更要命的是钱。ASM International撤资（1988年/1990年退出股份），飞利浦自己又赶上大裁员，电子业整体下行，三重打击叠在一起，ASML资金告急、命悬一线。关键时刻，ASML高管去求飞利浦董事亨克·博特（Henk Bodt）。是博特说服董事会“最后再帮一把”，才把这家不停吞钱的年轻光刻公司续上了命34。

续命之后，ASML一步步把产品做扎实。1985年，第一台真正商用的步进机PAS 2000/10（g-line）交付，据业内编年，主要客户是Cypress Semiconductor；1987年首台i-line步进机PAS 2500/40（0.4 NA，0.7微米，每小时70片）；1991年首台KrF步进机PAS 5000/70；1997年首台步进扫描机PAS 5500/500（0.22微米，每小时96片），这一台速度明显快过对手；1998年首台ArF步进扫描机PAS 5500/90035。真正让ASML拉开身位的，是2000年推出的TWINSCAN双工件台平台——一个工件台在曝光的同时，另一个工件台在旁边量测对准，曝完一交换，省掉了等待时间，产率大涨。首台TWINSCAN在2001年10月装进了台积电36。

市占的曲线很说明问题：1995年ASML约14%（另说10%），借TWINSCAN在2000年升到约30%，2002年首次登上世界第一——按出货机型台数它当年居首，若按营收，市场调研机构（Gartner Dataquest）记的是约54%，不同口径数字不一，但“第一”无疑，在韩国尤其强。2001到2005年间，它并购了承接Perkin-Elmer光刻业务的SVGL——这桩并购因美国国家安全审查（CFIUS）拖了半年多，焦点之一是SVG旗下Tinsley的镜片抛光技术——借此打进了英特尔的门37。

漏雨木棚里那家差点关门的公司，用了不到二十年坐上世界第一。它能登顶，TWINSCAN的速度优势是一半原因；另一半，就是它在浸没式这场豪赌里押对了。

谁先量产：浸没机的机型竞赛与台积电的押注

浸没式从林本坚2002年的提议到跑上产线，速度快得惊人。

ASML的首台商用ArF浸没机是XT:1250i（NA 0.85，干湿可切换），2003年12月在日本Semicon展上正式介绍，交付计划是2004年第三季度；早期订单来自IBM和台积电。IBM和台积电是浸没式最早的试验场——ASML先在IBM的Albany Nanotech装了实验机XT:1150；2004年，IBM研究高管Ghavam Shahidi宣布IBM将把水浸没光刻商业化38。

这里有一个值得记住的产业判断。在英特尔、IBM、AMD等大厂普遍对浸没式将信将疑的时候，台积电率先信了，并下了单。就在2003年12月那同一份新闻稿里，ASML宣布收到来自台积电的“行业首张”浸没式订单——也就是说，XT:1250i的发布与台积电的下单是同步公布的39。这一步战略前瞻，把台积电送上了先进制程的地图，也成就了林本坚“把台积电送上地图的浸没式之父”之名40。第24章会专门讲台积电的代工革命，浸没式这一押，是它日后一路领先工艺节点的起点之一。

竞争对手尼康并没有缺席，前期甚至一度领先。2005年，尼康的NSR-609B是业界首台超高数值孔径（hyper-NA，NA>1.0，这台是1.07）的机器，也是首台真正投入商用芯片量产的浸没机；同年ASML推出XT:1700i（hyper-NA，NA 1.2，每小时122片，2006年第一季度首发）；2006年尼康的二代浸没机NSR-610C（NA 1.3，45纳米，每小时130片，2007年3月首发）。最终，1.35 NA成了193纳米浸没式的终极配置，对应45纳米节点。到2010年，ASML累计售出约100台浸没DUV；到2015年的NXT:1980Di，产率已经做到每小时275片41。（“约100台”“275片/时”等几个数字来自二手综述，取其量级。）

但尼康终究没能守住。它在ArF浸没这一仗里被ASML全面压过，到后面的EUV竞赛更是被甩开。佳能则更彻底——它从未量产出货过任何一台浸没式光刻机。前面埋的伏笔在这里收口：佳能的历史强项是老式的接触/接近式对准机，浸没式这一代它整个掉了队。日本两强从1980年代独占七成半天下，到这里只剩尼康还在场上勉力支撑，而王座已经稳稳坐到了荷兰人身上42。

这是产业地理母题最完整的一次演绎：光刻设备的霸权，从1980年代的美国（GCA、Perkin-Elmer），转到1980-90年代的日本（尼康、佳能），最终在本世纪初落到荷兰的ASML。三幕剧，三十年，王座换了两次手。

把一代波长用出三代寿命：多重曝光与193i的延寿

水让193纳米活了下来，但单次193纳米浸没曝光也有它的硬极限——大约38纳米的线宽间距（pitch）。问题是，摩尔定律不会停（第7章），节点要继续往10纳米、7纳米走，pitch还得更小。EUV呢？又一次，它还没准备好，量产要等到2019年43。

于是行业又一次靠“工艺骗术”硬撑，这回压的是k₁系数那条路的极致——多重曝光（multiple patterning）。核心思路：既然一次曝光印不出那么密的线，那就分几次印。最直接的是LELE（光刻-刻蚀-光刻-刻蚀，litho-etch-litho-etch）双重曝光：先印一半的线，刻进去，再印另一半插在中间。麻烦在于第二次曝光必须和第一次精确对齐，套刻误差直接决定良率。

更精巧的是自对准双重曝光SADP（self-aligned double patterning）：先印一组较稀疏的图案，在它的侧壁上长出一层均匀的侧墙（spacer），再把原来的图案去掉，剩下的侧墙就自动变成了密度翻倍、且间距完全均匀的线——因为侧墙是“长”出来的，不存在第二次对准的套刻误差，缩放潜力比LELE更强。把这套再做一遍，就是自对准四重曝光SAQP，密度再翻倍43。

靠着193纳米浸没加上这些多重曝光，10纳米和7纳米节点的关键金属层被实打实地做了出来，最小pitch约38纳米。一个值得钉死的事实是：7纳米（N7）节点在EUV量产之前，完全可以仅靠193纳米浸没加多重曝光实现——这也正是台积电N7初期的做法。一代193纳米的波长，硬是被用出了三四代的寿命，从45纳米一路撑到7纳米级。代价是成本：每多一次曝光就多一遍光刻加刻蚀，掩模数量和工艺步骤翻着番涨，先进节点的制造成本曲线在这里开始陡峭起来。这笔越来越贵的账，最终成了EUV非上不可的经济理由——那是第21章的故事44。

一个人的奖章，和一门手艺的极限

林本坚1942年6月24日出生，1963年从国立台湾大学电机系毕业，1970年拿到美国俄亥俄州立大学电机博士，随即进了IBM的Thomas J. Watson研究中心，一待二十二年（1970-1992）。1992年他离开IBM创办Linnovation公司，2000年加入台积电任资深处长，2011到2015年任副总裁兼杰出院士（Distinguished Fellow）。2015年他退休时，台积电做光刻研发的团队已经有大约700人——而他2000年刚去时，这几乎是从零起步的。退休后他回到台湾，出任国立清华大学半导体研究学院首任院长，以及清华-台积电联合研究中心主任45。

荣誉一路追着他来：2003年IEEE Fellow和SPIE Fellow；2004年首届SPIE Frits Zernike奖；2008年当选美国国家工程院院士，理由是“for technical innovations and leadership in the development of lithography for semiconductor manufacturing”；2009年IEEE Cledo Brunetti奖；2014年中央研究院院士；2018年获未来科学大奖的“数学与计算机科学奖”，授奖词表彰他开创浸没式光刻、“reviving and extending Moore’s law for multiple generations”——复兴并延续了摩尔定律数代；2023年又拿了SPIE的墨子奖。“浸没式光刻之父”，是他被公认的称号46。

和书里许多发明者的委屈不同，林本坚是少数发明者与受益者大致重合、且生前就获得充分承认的人——这或许是因为他既出了主意，又亲自在台积电把它落了地，主意和产品长在了同一个人身上。但即便是他，那个真正把浸没理念落地的转折，也站在涩谷正人、Levenson、日立、Perkin-Elmer那些更早的专利和论文之上。技术史很少是某一个人的独角戏47。

193纳米浸没式是“印刷光”这门古老手艺的极限演出。从1980年代的g-line黄光到这里，光刻工程师把瑞利公式里那三个变量——波长λ、孔径NA、系数k₁——一个个拧到了头：波长从436纳米压到193纳米后再也压不动（157纳米死在了双折射上），NA靠一层水推到1.35后也到顶，k₁靠相移掩模和多重曝光榨到了极限。再往下，唯一的出路是把波长一步砍到13.5纳米——极紫外。那是一束在空气里都会被吸收、必须在真空中用反射镜操纵、让整个行业等了二十年、最后只剩ASML一家能造的光47。

它，是下一卷的高潮。

参考文献

  1. SPIE, “Immersed in Lithography”（林本坚自述）. 2002年7月SEMATECH主办的157纳米研讨会上，林本坚作为受邀报告人，当着200多名与会者主张193纳米水浸没比157纳米干式更可行。原文：“In July 2002, in an invited paper at the SEMATECH-organized 157-nm workshop, I took the courage to tell the 200-plus attendees…”链接 →（B 级 · SPIE 当事人自述；澄清原“SEMATECH 157纳米研讨会”表述正确，与“Microlithography 2002”非两处独立场合）

  2. SPIE, “Immersed in Lithography.” 林本坚原话逐字：“193-nm water-immersion has a better chance to succeed and a greater potential to reach for future technology nodes than 157-nm dry systems.”链接 →（B 级 · SPIE 当事人自述，Asianometry 等多处逐字转引）

  3. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography Technology,” 2023. 水对193纳米折射率约1.44，等效波长193/1.44≈134纳米；不换光源/镜头/光刻胶仅靠水即获等效短波长。链接 →（B 级 · 深度技术综述）

  4. SPIE, “193nm immersion lithography: Status and challenges.” 瑞利分辨率公式 CD=k₁·λ/NA、焦深公式 DOF=k₂·λ/NA²（DOF 与 NA 平方成反比）为光刻标准物理主轴。链接 →（B 级 · SPIE 技术综述，多教材一致）

  5. Atsuhiko Kato / Chris Mack, “Chronology of Lithography Milestones,” lithoguru.com, 2007. 汞灯 g-line 436nm、h-line 405nm、i-line 365nm；g-line 为1970年代末-80年代主力、约印1微米；“黄光区”为防蓝紫光提前曝胶。链接 →（B 级 · 权威里程碑年表）

  6. Chris Mack, “Milestones in Optical Lithography Tool Suppliers” / “David W. Mann and GCA,” lithoguru.com. 1978 GCA DSW 4800 首台成功商用步进机，g-line、蔡司0.28 NA、10X缩小、10×10mm 场，由 D.W. Mann 照相重复机演化，β样机1977先交IBM。链接 →（B 级 · 权威编年）

  7. Asianometry, “How Japan Won the Lithography Industry,” 2023. 步进机缺陷率/套刻精度优于 Perkin-Elmer 投影对准机，256K DRAM 一代成主流；美系一度占全球光刻设备约九成（口径不一，另有1978约70%、1982约62%之说）。链接 →（B 级 · 深度综述；“约九成”为近似口径，正文以塌方量级承载）

  8. Asianometry, “How Japan Won the Lithography Industry.” 1980 尼康 NSR-1010G 日本首台商用步进机，5倍缩小（GCA 为10倍），首批客户 NEC、东芝。链接 →（B 级 · 深度综述）

  9. Asianometry, “How Japan Won the Lithography Industry”；Chris Miller, Chip War. GCA 日本步进机份额 1981 年68%跌到 1983 年约45%；创始人 Milton Greenberg 早年向尼康采购镜头后翻脸，尼康逆向工程 GCA 步进机反超；GCA 1988 年被 General Signal 收购（约7600万美元）、1993 解散。链接 →（C 级 · 带叙事色彩的二手；份额与收购金额为业界编年近似值，正文已点明属概述）

  10. Asianometry, “How Japan Won the Lithography Industry.” Perkin-Elmer 投影对准机份额从1980年30%+跌到1984年不足5%；1990 年其光刻业务被 Silicon Valley Group（SVGL）收购。链接 →（C 级 · 二手编年近似数字）

  11. Asianometry, “How Japan Won the Lithography Industry.” 美系全球光刻设备份额约从1980年九成暴跌到1990年一成，同期尼康+佳能合计约四分之三。注：该文同时给出美系1978约70%、1982约62%、日本1989约70%的另一套按金额口径；两套口径并存，正文取近似值承载塌方量级，不坐实任一精确百分比。链接 →（C 级 · 二手编年，口径不一）

  12. Atsuhiko Kato / Chris Mack, “Chronology of Lithography Milestones,” lithoguru.com. 尼康1984 首台 i-line 步进机 NSR-1010i3（436→365nm）；佳能同年首台步进机 FPA-1500FA（g-line）。链接 →（B 级 · 权威里程碑年表）

  13. Atsuhiko Kato / Chris Mack, “Chronology of Lithography Milestones,” lithoguru.com. 1988 尼康首台 KrF 步进机 NSR-1505EX（0.42 NA，0.5μm，仅研发/光刻胶开发用）；佳能接触/接近式对准机谱系（1973 PLA-300、PLA-500/600 系列、1980年代日本投影对准机一度90%）。链接 →（B 级 · 权威编年）

  14. Cymer, “Light Source Technology”；SPIE immersion intro. DUV：KrF 准分子激光248nm、ArF 准分子激光193nm；准分子激光靠气体混合物放电形成准分子发光，波长由气体选定。链接 →（B 级 · 厂商技术页+SPIE）

  15. Cymer, “History”；Cymer Inc. 公司简介. 1986 年 Cymer 成立（Robert Akins、Richard Sandstrom 两位大学好友创立），1989 入场，九十年代到本世纪初拿下超80%准分子激光份额。链接 →（B 级 · 厂商史；80% 份额为业界通行说法）

  16. Atsuhiko Kato / Chris Mack, “Chronology of Lithography Milestones,” lithoguru.com. 1987 小松（Komatsu）出货首台光刻用 KrF 激光 KLE-630S，次年装入尼康工具。链接 →（B 级 · 权威编年）

  17. Atsuhiko Kato / Chris Mack, “Chronology of Lithography Milestones,” lithoguru.com. 1988 Cymer 出货首台 KrF 激光原型 CX-2LS，装在尼康 NSR-1505EX 上。链接 →（B 级 · 权威编年）

  18. Gigaphoton 公司史. 2000 年小松与优志旺（Ushio）合资成立 Gigaphoton；2004 Lambda Physik 退出 DUV 光源市场，准分子激光收敛为 Cymer 与 Gigaphoton 两家。链接 →（B 级 · 厂商史，业界通行说法）

  19. SPIE, “Hiroshi Ito, resist co-inventor, dies,” 2008；“Chemical amplification resists: history within IBM,” IBM J. R&D (1997). 化学放大光刻胶（CAR）由 IBM 的 Hiroshi Ito、C. Grant Willson（与 Fréchet）提出，概念约1980、1982年报告并申请 tBOC 专利；Willson 后任教得州大学奥斯汀分校。★更正：原稿作“伊藤洋(Hitoshi Ito)”，正确英文名为 Hiroshi Ito，已改正。链接 →（B 级 · SPIE 讣闻+IBM 期刊 · 含人名更正）

  20. Atsuhiko Kato / Chris Mack, “Chronology of Lithography Milestones,” lithoguru.com. 尼康1995 首台量产 KrF 扫描机 NSR-S201A（0.25μm）；机型从 stepper 演化为 step-and-scan scanner（掩模/硅片同步反向移动、镜头中心成像、更大场更均匀）。链接 →（B 级 · 权威编年）

  21. “Phase-shift mask,” Grokipedia（综合教科书）. 相移掩模让相邻开口透过的光产生180度相位差，交界处相消增出暗缝、分辨率近乎翻倍，属分辨率增强技术（RET）。链接 →（B 级 · 综合教科书原理，多教材一致）

  22. “Phase-shift mask,” Grokipedia；JSAP Takuma Award to Masato Shibuya. 相移掩模专利在先：尼康涩谷正人（Masato Shibuya）1980-09-22 在日本申请、1982-03-25 公开；论文成名在后：IBM 的 Marc D. Levenson、N.S. Viswanathan、R.A. Simpson 1982 年发表论文首次实验验证交替相移使分辨率翻倍；涩谷2001 退休转任东京工艺大学教授。链接 →（B 级 · 专利综述+学会奖项，专利日多处一致）

  23. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography Technology.” 157纳米用 F₂ 激光，为路线图上的下一代，行业为它投入约二十亿美元。链接 →（B 级 · 综述；“约20亿”为单一二手来源近似，未获 A 级一手审计交叉印证，正文以近似承载）

  24. optics.org, “Lens problems scupper 157nm,” 2002；NIST, “Intrinsic Birefringence in Crystalline Optical Materials.” 157纳米须改用 CaF₂ 晶体透镜，CaF₂ 有本征双折射（NIST/Burnett 等发现，沿<110>约11.2 nm/cm@157.6nm），源于立方晶体空间色散而非应力，做到零应力也无法消除。链接 →（B 级 · 行业报道+NIST 一手研究）

  25. optics.org, “Lens problems scupper 157nm.” 引文逐字：“Everybody thought that this was due to stress in the crystal and that a zero-stress crystal would be the answer. That was wrong - the birefringence is there anyway.”链接 →（B 级 · 行业报道）

  26. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography”；SPIE, “Progress report: 157-nm lithography.” 157纳米第二病根为软膜（pellicle）：193纳米有可用软膜，157纳米下无既透光又耐用薄膜；加上157纳米光刻胶难搞，三难叠加。链接 →（B 级 · 综述+SPIE）

  27. EE Times, “Intel drops 157-nm tools from lithography roadmap,” 2003. 英特尔2003-05-22 披露删除157纳米、跳过它直奔 EUV，193纳米覆盖90/65/45纳米三节点，32纳米主候选 EUV；供应链反应被报道形容为“愤怒”（angry reactions）。链接 →（B 级 · 行业权威报道）

  28. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography”；SPIE, “193nm immersion: Status and challenges.” NA=n·sinθ，干式NA极限约0.93-1.0；换水（n≈1.44）后NA推到1.35、等效波长约134nm、分辨率较干式提升约30-40%、极限约38nm半节距对应45nm节点；折射率提高使焦深账重新算过来（浸没式核心优势）。链接 →（B 级 · 综述，多源一致）

  29. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography.” 灌液体理念非林本坚首创：1840年代 Amici 浸没显微镜；1984 日立（Takanashi 等）专利在镜头与光刻胶间放液体；1985 Perkin-Elmer 专利（Werner Tabarelli、Ernst Lobach）把镜头直接泡进水；林本坚1987 在 Microcircuit Engineering Conference 发表《The future of subhalf-micrometer optical lithography》首次提出用水浸没提升焦深（针对248nm）。链接 →（B 级 · 综述，逐条确认）

  30. US Patent 6,788,477, “Apparatus for method for immersion lithography” (Burn Jeng Lin). 发明人 Burn Jeng Lin，受让 TSMC；申请2002-10-22，授予2004-09-07；权利要求含折射率约1.0-2.0 的填充流体。佐证林本坚2002年把浸没落地的时点。链接 →（A 级 · 专利原件）

  31. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography.” 第一场工程恶战气泡：早期 ASML 浸没演示曝光区水中冒出直径1到150微米气泡，气泡散射削弱193纳米光毁掉成像，解法是把水超纯并彻底脱气（de-gassing）。链接 →（B 级 · 综述；“1-150微米”为单一二手来源数字，正文取量级参考）

  32. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography”；SPIE, “193nm immersion: Status and challenges.” 污染（topcoat/疏水胶隔离胶与水）、供水（放弃整片浸浴改局部淋浴 showerhead 抽吸回收）、蔡司光学从 dioptric 转 catadioptric；到2008年前后浸没式做到“零缺陷级”。链接 →（B 级 · 综述+SPIE）

  33. “ASML,” Wikipedia；ASML, “ASML’s founding story,” 2024. ASML 1984-04-01 作为 ASM Lithography 成立，飞利浦与 ASM International 50对50 合资，使命商业化 PAS 2000；起步于漏雨木棚、约31员工（另说47人转入）；PAS 2000 液压油驱动晶圆台漏油、油泵噪声大到搬集装箱隔音“to keep everyone sane”。链接 →（B 级 · 公司官方史+Wikipedia）

  34. “ASML,” Wikipedia；ASML founding story. ASM International 撤资（1988/1990 退出股份）、飞利浦大裁员、电子业下行三重打击叠加，ASML 资金告急；高管求飞利浦董事 Henk Bodt，博特说服董事会“最后再帮一把”续命。链接 →（B 级 · 公司史+Wikipedia；退股年份各源1988/1990 略有出入，正文并列）

  35. Chris Mack, “Milestones in Optical Lithography Tool Suppliers,” lithoguru.com；chiphistory.org “PAS 2000.” 1985 首台商用步进机 PAS 2000/10（g-line，据业内编年主要客户 Cypress Semiconductor）；1987 PAS 2500/40（i-line，0.4 NA，0.7μm，70片/时）；1991 PAS 5000/70（KrF）；1997 PAS 5500/500（步进扫描机，0.22μm，96片/时）；1998 PAS 5500/900（ArF 步进扫描机）。链接 →（B 级 · 权威编年；Cypress 为首客取“据业内编年”限定，ASML 官方稿未逐字点名）

  36. Chris Mack, “Milestones in Optical Lithography Tool Suppliers,” lithoguru.com；ASML 公司史. 2000 推出 TWINSCAN 双工件台（一台曝光、一台并行量测对准、交换省等待、产率大涨）；首台 TWINSCAN 2001-10 装进台积电。链接 →（B 级 · 权威编年+公司史）

  37. “ASML,” Wikipedia；ASML/SVG CFIUS 审查（ASML press release, 2001）；EE Times. ASML 市占1995约14%（另说10%）、借 TWINSCAN 2000升约30%、2002 首次登顶世界第一（按出货台数居首；按营收 Gartner Dataquest 记约54%，口径不一），韩国尤强；2001 完成并购承接 Perkin-Elmer 光刻业务的 SVGL，因 CFIUS 国家安全审查（焦点之一为 Tinsley 镜片技术）拖延半年多，借此打进英特尔。★口径修正：原稿“约47%首次登顶”与 Gartner 约54%口径不一，正文已软化为“约一半/首次登顶”。链接 →（B 级 · 公司新闻稿+Wikipedia+EE Times · 含口径修正）

  38. ASML, “ASML introduces industry’s first immersion lithography tool”（新闻稿，2003-12-03，东京）. 首台商用 ArF 浸没机 XT:1250i（NA 0.85，193nm，双工件台干湿可切换，对应65nm/70nm半节距），交付计划2004年第三季度；IBM 先在 Albany Nanotech 装实验机 XT:1150；2004 IBM 研究高管 Ghavam Shahidi 宣布 IBM 将把水浸没商业化。★精化：原稿“2004年10月首发”更准确说法为“交付计划 Q3 2004”。链接 →（A 级 · ASML 官方新闻稿）

  39. ASML, “TSMC selects ASML for industry’s first immersion tool order”（新闻稿，2003-12-03，东京）. “ASML today announced it received the industry’s first order for an immersion lithography system from…TSMC”，订购 TWINSCAN XT:1250i、交付 Q3 2004。★G2 澄清：XT:1250i 发布与台积电下单为同一新闻稿/同月（2003-12）同步公布，先后关系即“同步”，正文已据官方稿坐实，不再悬置。链接 →（A 级 · ASML 官方新闻稿）

  40. CommonWealth Magazine, “Interview with the Father of Immersion Lithography Who Put TSMC on the Map,” 2024. 台积电率先押注浸没式、林本坚“把台积电送上地图的浸没式之父”。链接 →（B 级 · 专访；“其他大厂将信将疑”为叙事性概括）

  41. Chris Mack, “Milestones in Optical Lithography Tool Suppliers,” lithoguru.com；Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography.” 2005 尼康 NSR-609B 业界首台 hyper-NA（NA 1.07）、首台真正量产浸没机；同年 ASML XT:1700i（NA 1.2，122片/时，2006 Q1 首发）；2006 尼康 NSR-610C（NA 1.3，45nm，130片/时，2007-03 首发）；1.35 NA 为193纳米浸没终极配置对应45nm；2010 ASML 累计售约100台浸没DUV；2015 NXT:1980Di 产率275片/时。链接 →（B 级 · 权威编年+综述；“约100台”“275片/时”为二手近似，取量级）

  42. Asianometry, “How Japan Won the Lithography Industry” / “A Deep Dive into Immersion Lithography.” 尼康在 ArF 浸没被 ASML 全面压过、EUV 竞赛更被甩开；佳能从未量产出货任何浸没式光刻机（历史强项为接触/接近式对准机，浸没式整代掉队）。光刻设备霸权三幕：1980s 美国→1980-90s 日本→本世纪初荷兰 ASML。链接 →（B 级 · 综述）

  43. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography”；SPIE, “193nm immersion: Status and challenges.” 单次193纳米浸没硬极限约38nm pitch；EUV 量产要等2019。多重曝光：LELE（litho-etch-litho-etch，套刻误差定良率）、SADP（自对准双重，用侧墙 spacer 长出密度翻倍且间距均匀的线、无第二次对准误差）、SAQP（自对准四重再翻倍）。链接 →（B 级 · 综述+SPIE，教科书共识）

  44. Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography.” 193纳米浸没加多重曝光做出10nm/7nm关键金属层、最小 pitch 约38nm；7纳米（N7）在 EUV 量产前完全可仅靠193i+多重曝光（台积电 N7 初期做法）；成本随曝光次数/掩模数翻番陡增，成 EUV 非上不可的经济理由（第21章）。链接 →（B 级 · 综述，行业共识）

  45. “Burn-Jeng Lin,” Wikipedia / Grokipedia；CommonWealth Magazine 专访. 林本坚1942-06-24 生，1963 NTU 电机、1970 俄亥俄州立电机博士，IBM Thomas J. Watson 1970-1992（22年），1992 创办 Linnovation，2000 加入台积电任资深处长，2011-2015 副总裁兼杰出院士；2015 退休时台积电光刻研发团队约700人；退休后任国立清华大学半导体研究学院首任院长、清华-台积电联合研究中心主任。（ETHW/IEEE 条目 403 未取，以 Wikipedia/Grokipedia/CommonWealth 交叉印证。）链接 →（B 级 · 百科+专访）

  46. Future Science Prize, “2018 Mathematics and Computer Science Prize Laureate — Burn J. LIN”（官方）；NAE；SPIE. 林本坚荣誉：2003 IEEE Fellow / SPIE Fellow；2004 首届 SPIE Frits Zernike 奖；2008 当选 NAE，理由“for technical innovations and leadership in the development of lithography for semiconductor manufacturing”；2009 IEEE Cledo Brunetti 奖；2014 中央研究院院士；2018 未来科学大奖“数学与计算机科学奖”，授奖词“reviving and extending Moore’s law for multiple generations”；2023 SPIE 墨子奖；“浸没式光刻之父”为公认称号。链接 →（A 级 · 奖项官方页，授奖词逐字确认）

  47. SPIE, “Immersed in Lithography”；Asianometry, “A Deep Dive into Immersion Lithography.” 林本坚是少数发明者与受益者大致重合、生前获充分承认者（既出主意又亲自在台积电落地），但落地转折仍站在涩谷正人、Levenson、日立、Perkin-Elmer 等更早专利/论文之上；193纳米浸没是“印刷光”的极限演出（λ 压到193后停于157双折射、NA 靠水到1.35、k₁ 靠相移掩模与多重曝光榨尽），再往下唯一出路是13.5纳米的极紫外（第21章）。链接 →（B 级 · SPIE+综述，本章结构性收束）