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摩尔定律的华丽谢幕:EUV微影机

  • 詹益仁

一旦1纳米线宽的图案可以被雕刻出来,半导体设备中最重要的微影机也将走到尽头。ASML

微影机在摩尔定律所主导的半导体产业,一直扮演著决定性的角色。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,代表著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,而是找长期的伙伴。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伙伴。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形成策略伙伴关系。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的崛起跟台积电有著密切的关系,并不是因为供应商,也是因为伙伴的关系。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。

摩尔定律的最后一哩路即将到来,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,举凡异质集成、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!

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。