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摩爾定律的華麗謝幕:EUV微影機

  • 詹益仁

一旦1奈米線寬的圖案可以被雕刻出來,半導體設備中最重要的微影機也將走到盡頭。ASML

微影機在摩爾定律所主導的半導體產業,一直扮演著決定性的角色。微影機顧名思義就是在矽基板上,能夠雕刻出多細的線寬,而這多細的線寬取決於微影機中所使用光源的波長,以及光學系統的設計。光源的波長越短,所雕出來的線寬就越細。EUV微影機被視為是結束摩爾定律的終極武器,也應該是人類所研發出可用於生產製造最精密、複雜且最昂貴的設備了。

微影機的光源坐落於紫外光,波長介於10~400奈米之間。從早期的光源來自於汞燈的g-line及i-line,一旦製程線寬小於100奈米,所使用的光源就進入了深紫外光(deep UV)。此時準分子雷射(excimer laser)的光源就應運而生了,它是利用惰性氣體與鹵素分子混合,藉由電子束的能量激發,而產生深紫外光的波長,如利用氟化氪(KrF)分子產生248奈米、氬化氪(ArF)的193奈米、以及氟氣(F2)的157奈米波長的光源。深紫外光的光源還可以經由重複曝光的方式,將製程的極限推到7~10奈米的線寬。若要更小的線寬,勢必得尋找更短波長的光源,此時極紫外光(extreme UV,13.5奈米波長)的微影機就在眾家引頸期盼下開發出來。

人為的方式所產生的光源有三類:第一類是利用黑體輻射,如愛迪生所發明的白熾燈泡;第二類是同步輻射加速;第三類則是利用原子、分子或半導體中電子能階的躍遷,如LED、雷射二極體或準分子雷射,EUV屬於此類。然而要產生EUV的光源,就需要將原子內層軌域的電子激發出來,再經由電子能階的躍遷而產生,這是個非常艱鉅的工程,也是一台EUV微影機造價超過40億台幣的原因。台積電目前已累計採購了超過30台EUV微影機,超越三星及英特爾的總和。以一個月產5萬片7奈米以下最先進的晶圓廠,需要至少10台的EUV及20台浸潤式193微影機,由此可見投資之巨大,再加上技術的開發,這一切都再再地墊高進入門檻。

目前EUV微影機僅有總部位於荷蘭的艾斯摩爾(ASML)所獨家供應,機台的開發也花了將近20年的時間。首先需要有耗電超過1MW的二氧化碳雷射裝置,以產生出輸出功率為200KW紅外線雷射光源。之後利用此光源去激發電漿態錫原子的內層軌域,再經由電子能階的躍遷產生13.5奈米的極紫外光。

故事還沒結束,這些光源需要經歷一連串精密的光學系統,再經由光罩投射到晶圓上,就如同在顯微鏡上有目鏡及物鏡般。然而在極紫外光,傳統的折射式光學鏡片已無法使用,必須採用金屬與半導體交替的多層鍍膜,透過層間的繞射條件而產生全反射,每一鍍膜層的厚度是僅有4分之1波長,也就是3~4奈米之間。

數值孔徑是此光學系統中重要的參數,代表著有多少光源能聚焦且有效地投射到晶圓上,其重要性不輸於極紫外光的波長。數值孔徑越大者,能刻出來的線寬也就越細。最後極紫外光能投射到晶圓上的功率就只剩下200W了,相較於初始1MW的電力,最後整體的功率傳換效率小於千分之一,因此是個極為耗電的設備。

ASML是如何完成此EUV微影機的壯舉?首先該公司強調其策略不是找供應商,而是找長期的夥伴。在EUV微影機近二十年的開發中,ASML與多家上游廠商經由合作開發,而更進一步成為策略夥伴。美國的Cymer是家研發利用電漿態金屬原子,受激發而產生EUV光源的小公司,因為共同研發的關係,而於2012年被併入ASML。蔡司(Zeiss)這家德國舉世聞名的光學鏡片公司,ASML也是經由EUV光學鏡片的合作而入主該公司。德國工業用二氧化碳雷射大廠Trumpf,因為EUV微影機跟ASML形成策略夥伴關係。當然國人一定還記得,ASML也在2016年收購了我們製作電子束影像檢測的漢微科了。

ASML的崛起跟台積電有著密切的關係,並不是因為供應商,也是因為夥伴的關係。在深紫外微影機(deep UV)的開發中,艾斯摩爾最多也是跟日本的佳能(Canon)及尼康(Nikon)三分天下,排不上第一。然而在193奈米微影機開發完成後,三家公司開始積極投入157奈米微影機的同時,艾斯摩爾卻突然轉頭開發所謂的浸潤式193奈米微影機。此機的概念是由中研院院士林本堅任職於台積電所提出的,原理上當光通過液體介質的時候,其速度會變慢,也就是波長會變短。因此若將被曝光的晶圓浸泡在液體中,在不改變193奈米微影機的光源及光學系統的條件下,可以達到比157奈米更短的曝光光源。

一位已退休的台積電高層曾透露這段與艾斯摩爾討論浸潤式193的秘辛,當時台積電花了一整天與該公司開發157奈米微影機的負責人討論,企圖說服該負責人轉向開發浸潤式193奈米微影機。該人士最後是被說服了,但也很無奈的表示,不知回去該如何跟老闆交代,畢竟公司已經在157奈米的微影機投下不少資源。然而就是因為及早進入浸潤式193的機台開發,從此微影機市場是ASML一家獨大,而157奈米的微影機從未在市場出現。

摩爾定律的最後一哩路即將到來,一旦EUV微影機光學系統的數值孔徑能由目前的0.3推進到0.5以上,則1奈米線寬的圖案將可以被雕刻出來,半導體設備中最重要的微影機將走到盡頭,再加上全包覆閘極元件(gate all around)的開發,半導體元件也將走入物理的極限。以半導體技術開發的角度而言,縱橫60年的摩爾定律即將謝幕,然而第二幕的More Than Moore早已開始,舉凡異質整合、3DIC、微機電、射頻IC、化合物半導體等,將延續半導體技術開發的路徑圖,至於半導體的應用以及對人類的貢獻,將永不落幕!

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。