摩尔定律的华丽谢幕：EUV微影机

微影机在摩尔定律所主导的半导体产业，一直扮演着决定性的角色。微影机顾名思义就是在矽基板上，能够雕刻出多细的线宽，而这多细的线宽取决于微影机中所使用光源的波长，以及光学系统的设计。光源的波长越短，所雕出来的线宽就越细。EUV微影机被视为是结束摩尔定律的终极武器，也应该是人类所研发出可用于生产制造最精密、复杂且最昂贵的设备了。

微影机的光源坐落于紫外光，波长介于10~400纳米之间。从早期的光源来自于汞灯的g-line及i-line，一旦制程线宽小于100纳米，所使用的光源就进入了深紫外光(deep UV)。此时准分子雷射(excimer laser)的光源就应运而生了，它是利用惰性气体与卤素分子混合，藉由电子束的能量激发，而产生深紫外光的波长，如利用氟化氪(KrF)分子产生248纳米、氩化氪(ArF)的193纳米、以及氟气(F²⁾的157纳米波长的光源。深紫外光的光源还可以经由重复曝光的方式，将制程的极限推到7~10纳米的线宽。若要更小的线宽，势必得寻找更短波长的光源，此时极紫外光(extreme UV，13.5纳米波长)的微影机就在众家引颈期盼下开发出来。

人为的方式所产生的光源有三类：第一类是利用黑体辐射，如爱迪生所发明的白炽灯泡；第二类是同步辐射加速；第三类则是利用原子、分子或半导体中电子能阶的跃迁，如LED、雷射二极管或准分子雷射，EUV属于此类。然而要产生EUV的光源，就需要将原子内层轨域的电子激发出来，再经由电子能阶的跃迁而产生，这是个非常艰钜的工程，也是一台EUV微影机造价超过40亿台币的原因。台积电目前已累计采购了超过30台EUV微影机，超越三星及英特尔的总和。以一个月产5万片7纳米以下最先进的晶圆厂，需要至少10台的EUV及20台浸润式193微影机，由此可见投资之巨大，再加上技术的开发，这一切都再再地垫高进入门槛。

目前EUV微影机仅有总部位于荷兰的艾斯摩尔(ASML)所独家供应，机台的开发也花了将近20年的时间。首先需要有耗电超过1MW的二氧化碳雷射装置，以产生出输出功率为200KW红外线雷射光源。之后利用此光源去激发电浆态锡原子的内层轨域，再经由电子能阶的跃迁产生13.5纳米的极紫外光。

故事还没结束，这些光源需要经历一连串精密的光学系统，再经由光罩投射到晶圆上，就如同在显微镜上有目镜及物镜般。然而在极紫外光，传统的折射式光学镜片已无法使用，必须采用金属与半导体交替的多层镀膜，透过层间的绕射条件而产生全反射，每一镀膜层的厚度是仅有4分之1波长，也就是3~4纳米之间。

数值孔径是此光学系统中重要的参数，代表着有多少光源能聚焦且有效地投射到晶圆上，其重要性不输于极紫外光的波长。数值孔径越大者，能刻出来的线宽也就越细。最后极紫外光能投射到晶圆上的功率就只剩下200W了，相较于初始1MW的电力，最后整体的功率传换效率小于千分之一，因此是个极为耗电的设备。

ASML是如何完成此EUV微影机的壮举？首先该公司强调其策略不是找供应商，而是找长期的夥伴。在EUV微影机近二十年的开发中，ASML与多家上游厂商经由合作开发，而更进一步成为策略夥伴。美国的Cymer是家研发利用电浆态金属原子，受激发而产生EUV光源的小公司，因为共同研发的关系，而于2012年被并入ASML。蔡司(Zeiss)这家德国举世闻名的光学镜片公司，ASML也是经由EUV光学镜片的合作而入主该公司。德国工业用二氧化碳雷射大厂Trumpf，因为EUV微影机跟ASML形成策略夥伴关系。当然国人一定还记得，ASML也在2016年收购了我们制作电子束影像检测的汉微科了。

ASML的崛起跟台积电有着密切的关系，并不是因为供应商，也是因为夥伴的关系。在深紫外微影机(deep UV)的开发中，艾斯摩尔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纳米微影机开发完成后，三家公司开始积极投入157纳米微影机的同时，艾斯摩尔却突然转头开发所谓的浸润式193纳米微影机。此机的概念是由中研院院士林本坚任职于台积电所提出的，原理上当光通过液体介质的时候，其速度会变慢，也就是波长会变短。因此若将被曝光的晶圆浸泡在液体中，在不改变193纳米微影机的光源及光学系统的条件下，可以达到比157纳米更短的曝光光源。

一位已退休的台积电高层曾透露这段与艾斯摩尔讨论浸润式193的秘辛，当时台积电花了一整天与该公司开发157纳米微影机的负责人讨论，企图说服该负责人转向开发浸润式193纳米微影机。该人士最后是被说服了，但也很无奈的表示，不知回去该如何跟老板交代，毕竟公司已经在157纳米的微影机投下不少资源。然而就是因为及早进入浸润式193的机台开发，从此微影机市场是ASML一家独大，而157纳米的微影机从未在市场出现。

摩尔定律的最后一里路即将到来，一旦EUV微影机光学系统的数值孔径能由目前的0.3推进到0.5以上，则1纳米线宽的图案将可以被雕刻出来，半导体设备中最重要的微影机将走到尽头，再加上全包覆闸极元件(gate all around)的开发，半导体元件也将走入物理的极限。以半导体技术开发的角度而言，纵横60年的摩尔定律即将谢幕，然而第二幕的More Than Moore早已开始，举凡异质整合、3DIC、微机电、射频IC、化合物半导体等，将延续半导体技术开发的路径图，至于半导体的应用以及对人类的贡献，将永不落幕！