微影技術持續精進 半導體工業延續飛躍性成長

EUVL極短紫外光微影術製程技術仍持續優化。Fraunhofer

半導體工業在光學微影技術的幫助下，長期形成持續且快速的成長態勢，但光學微影在面對更精密的製程已開始出現應用瓶頸，尤其在小於0.1微米或更精密的製程，必須使用先進光學微影或非光學微影術予以克服…

早期半導體工業在光學微影技術(Optical Lithography)支援下，不僅可以持續改善積體電路的元件特性，單一元件的集積度大幅提升，不僅使製造成本壓低，也讓產品的性能持續提升，但光學微影技術畢竟有其使用限制，尤其在面對更微小的線路製程需求時，就會有其使用瓶頸與限制產生，這時非光學微影術逐漸受到重視，甚至成為半導體未來跳躍性發展的關鍵性技術。

微影術為半導體產業發展基礎

微影術(Lithography)可以說是半導體產業的基礎，積體電路、半導體之所以得以快速發展，晶片功能越來越多、單價卻越來越便宜，說是歸功於微影術的幫助可以說是一點都不為過，尤其是晶片的複雜規模已經自LSI(large-scale integrated circuit，單一元件內達到1,000個以內的邏輯閘)，擴展至VLSI(very large-scale integrated circuit，單一元件內達到1萬個以內的邏輯閘)，甚至達到集積100萬個邏輯閘的ULSI(ultra large scale integrated circuit，單一元件內達10萬個以內的邏輯閘)的集積度水準，而在面對越來越多邏輯閘的整合需求，原有的製程技術已經受到極大挑戰。

積體電路IC製程的關鍵技術，即微影技術，也是半導體製作流程中最關鍵的核心技術，以記憶體DRAM(Dynamic Random Access Memory)積體電路元件為例，分析每個世代的DRAM產品大約僅能因應市場需求約2至3年，而每個晶粒(Die)的尺寸越小，代表著單一晶圓可以容納的晶片(Die)數越多，為持續保有市場競爭力，DRAM產業的Die單位面積則是以每年以25%~30%尺寸縮減速度進行，不僅晶片的體積逐年遞減，單位晶圓可以切割的晶片數也正持續增加。

從實際的產品檢視發現，DRAM自256K進步到1M DRAM，光是設計規則就能縮小0.6~0.7倍水準，而這個進展趨勢隨著容量增加微縮體積比例也越來越大，但微縮比例也在64M、256M DRAM逐步出現微縮比例趨緩現象。

積體電路持續挑戰矽晶物理極限

而終端元器件單位體積持續趨近物理極限後，晶片業者為了持續保有成本優勢，隨即往單片晶圓的面積擴大方面著手，透過單片晶圓面積上的擴展，保有單批產量在Die數量上的成長極限。但利用單晶圓尺寸的擴張，也頂多僅能治標而無法治本，為了保有半導體產業持續成長的動力，半導體業者被迫需要投入更多資源，進行加速或升級現有微影技術的製作方案。

在不同微影技術方中，其中光學微影術是最重要的項目，因為光學微影術的成本效益佳，也最適合整合於半導體的量產加工應用需求，光學微影術製程與設備相關進階改良也持續進行，即使在其他新穎製程正積極被開發、整合下，先進光學微影技術仍會在半導體業界中維持其關鍵地位。目前光學微影在因應0.18微米製程需求仍算游刃有餘，但若再持續微縮化發展，光學微影技術也會有其應用極限。

光學微影會躍升為半導體製程主流的原因在於，光學微影可應用於大量生產、製造，且有速度快、解析度佳、成本低廉等優勢，是其他微影或進階微影製程所難以望其項背的。但在持續往高解析度、高集積度的製造需求移動時，則必須考量其他非光學微影術才能達到的超高解析度表現，例如電子束微影術(E-beam lithography system)、X光微影術(X-ray lithography system；XRL)、離子投影術(Ion Beam Projection lithography system；IPL)，與極短紫外光微影術(EUV lithography system)等。

電子束曝光技術

電子束曝光技術可處理小於0.1微米解析度的製作需求，早期受限於設備較昂貴、產量低等問題，使得電子束微影術無法如同光學步進機這樣進行積體電路晶片的大量生產。

電子束微影術通常被用在開發新世代產品用途，而電子束曝光技術不需光罩、可節省光罩成本優勢，在0.18、0.15微米以下製程有其使用效益。此外，電子束曝光技術相較深紫外光微影術使用的相位轉移光罩(phase shift mask；PSM)與光學近接效應的修正型光罩(Optical proximity correction；OPC)，有製作困難度低、成本相對低廉等優勢，電子束微影術已成為半導體製程進化的重要選項之一。

但電子束曝光術仍有生產速度較慢的問題，目前電子束曝光術較廣泛使用在新穎的研發元件生產應用上，例如針對Gate及contact hole的曝光處理等，未來若要真正在大量生產時導入電子束曝光術，則需要在產速上進行更大的技術突破。

X光微影技術

X光微影技術則不同於一般微影技術，X光微影技術使用光源為波長較短的微影處理，實際為應用近接式(proximity) 1:1曝光形式進行處理，尤其是同步輻射之X光在光學特性上為幾乎平行、無聚焦景深與解析度問題。

X光微影的投射光源均為自同步輻射光源引出，搭配多層光學反射鏡與光學濾鏡處理得到其特殊波長，但一般光罩並無法有效地讓X光穿透，X光使用的光罩為由特殊材質作為光罩基板與重金屬作為X光吸收劑，搭配X光步進機控制搭配光罩的圖形進行一比一形式將線路移轉至矽晶片之上。而由於X光微影術為使用近接式曝光，曝光解析度由光之波長、光罩與矽晶片間之Gap決定，為達到0.13微米或更高的解析度能力，難度也因此大增。

X光微影術較大的問題是，無法以縮小投影型式進行曝光，而生產光罩即須要搭配極高精確度的處理，甚至光罩生產過程需要以高於晶圓曝光過程更高的精確度，透過生產高品質光罩搭配X光微影術才能發揮進階製造效益。目前因為搭配使用的光罩技術仍有相當多瓶頸須克服，即便如此，半導體產業仍對X光微影術寄予厚望。

離子投影術

離子投影術為歐洲重點研究的積體電路製程方法，為利用離子束進行投影式微影處理，製作過程中需搭配Stencil Mask遮擋不需離子束照射的部份，但由於離子入射會因Stencil Mask鼓膜材質產生嚴重的散射現象，導致其製作解析度降低，不過近年來已針對解析度提升發展通道式Stencil Mask，使其射入之離子降低散射角度。

但離子投影製程也頗多問題尚待解決，例如，Stencil Mask本身產生的熱效應須在製造過程搭配冷卻循環裝置，形成系統趨於複雜；而離子投影術每次曝光的面積很大，在生產時有速度快、產能高優勢，只適合大量生產。

EUVL極短紫外光微影術

EUVL極短紫外光微影術為運用雷射通入Xe氣體所產生的光線，光的波長約為13nm，製程曝光需在真空下進行，系統鏡片均為反射式鏡片，所搭配的光罩與傳統應用的光學光罩並不同，光罩表面需要相對高度平坦。

紫外光微影術較大難題是需搭配defect-free、高度平坦程度的光罩基底(Mask Blank)，並搭配可檢測、修補光罩的設備偕同運作進行製程。因應半導體產業所需的高精度製程與持續維持30%的成本優化，EUVL極短紫外光微影術可有效減少多重曝光步驟，自然可以降低晶圓的加工成本，即便設備單價高昂，仍舊吸引半導體廠積極投入設備投資與持續關注相關技術進展。