TSMCの林本堅、新しいレーザーを水たまりに置き換えてチップの微細化を継続

チップは光で印刷され、2002年までに193nmのフッ化アルゴンレーザーは乾式光学系で解像できる限界に達していた。ロードマップの答えは次の波長、すなわち全く新しい光学系を備えた157nmフッ素レーザーだった。林本堅の2004年のレビューが示したように、その道は現実との接触で破綻しつつあった——薄膜ペリクルは約10回の露光しか耐えられず、製造に耐える157nmレジストは存在せず、フッ化カルシウムのレンズ材料は品質と量の両面で依然として不足していた。

林は数十年前にIBMで液浸を提案しており、2000年にTSMCに入社した。彼の2002年の書簡——「k3係数」分析——は、スキャナの最終レンズとウェハの間の隙間が解像度方程式における未使用の変数であることを示した。そこを水（屈折率1.44、193nmでほぼ透明）で満たせば、同じレンズ、レーザー、レジストを使いながら、193nmは実効的に135nmとなり、焦点深度も向上する。

彼の2004年のレビューはさらに、乾式と液浸のシステムにわたって65、45、32nmノードをシミュレーションし、端から端まで論証した。MITのSwitkesとRothschildはすでに、ペルフルオロポリエーテルを用いて157nmで液浸による約40パーセントの解像度向上を示していた。193nmでの水は、どの工場にも建物内にあった液体で同じ効果を実現した。

業界は素早く方向転換した。2004年1月、IBMのシリコンテクノロジー部門ディレクターは、水を通して行うリソグラフィを商業化すると発表し、ASMLとニコンは液浸を製品ラインに変えた。157nmのプログラムは生産装置を一度も出荷することなく静かに終了した。液浸スキャナは最先端の主力となり——ASMLのTWINSCAN NXTプラットフォームは2015年までに毎時275枚のウェハに到達した——そして1.35開口数の装置が36nmで限界に達すると、多重パターニングが同じ技術を10nmクラスのチップ、例えばサムスンの2016年のトリプルパターニングSoCまで引き伸ばした。

レンズとウェハの間に水を置く：193nmが135nmのように機能する

水は193nm光をよく透過し、実効的な波長変換を高めるため、同じレンズとレーザーで解像度と焦点深度の両方が向上する。

157nmの道は、製造品質で存在しないペリクル、レジスト、フッ化カルシウム光学系を必要とした。液浸は、どの工場にもすでにあった液体を必要としただけだった。

その利得はすでに設置済みのすべてと相乗する。ファウンドリは全く新しいサプライチェーンを待つのではなく、ArF装置群の価値を倍加させた。

まず分析、次にハードウェア——林のスケーリング方程式により、装置メーカーと化学者は資本を投じる前に何を造るべきかを正確に知ることができた。

ロードマップがすべてを再構築せよと言うとき、すでに持っている物理の中の未使用の変数を探せ。林は解像度方程式の中にそれを見つけ、業界を新しいレーザー、レンズ、レジストから救った。

液浸DUVは65nmから45、32、そして多重パターニングを経て10nmクラスに至るまで、すべての最先端ノードを支え、今日でも先端チップの大多数の層を印刷している。林は2013年にIEEE Jun-ichi Nishizawa Medalを、2023年にSPIE Mozi Awardを受賞し、液浸リソグラフィの父として広く称された。この出来事は、波長競争をコップ一杯の水で打ち負かした標準的な例となった。ロードマップが崖のように見えたとき、方程式の中で最も安価な変数が十分であることが判明したのだ。