光学微影检测技术发展与市场趋势

EUVL极紫外光微影技术，藉由从产官学联盟合作逐步迈向商业化阶段。Source:SEMATECH/NSRCC

光学微影与检测技术是利用特定波长的可见或不可见光，针对标的物进行曝光、显影(exposure&Lithography)与检测(Inspection)的技术。从生医制药、半导体极紫外光微影等奈微米制造技术，锂电池、钢铁材料、触媒与高分子结构分析、X光显微镜分析、精密磁铁&电源供应器设计，以及普及于PCB产业的自动光学检测(Automatic Optical Inspection；AOI)设备的应用，藉由光学显影可以制造出细腻如微生物的超高密集电路，追寻摩尔定律的轨迹并提升IC的密集度与运算效能…

光学微影技术驱动摩尔定律

推动半导体制程技术以每18个月晶体管数量成长一倍的摩尔定律，其创新关键在于光学微影技术的进步。半导体所使用的光学显影机台(步进光刻机)，掌握其关键制造技术的厂商有荷商ASML(艾司摩尔)、Ultratech、尼康(Nikon)、佳能(Canon)、休斯微系统(SUSS MicroTec)、ABM Inc.等。

过去使用汞灯产生436nm波段的g-line紫外光，365nm波段的i-line紫外光，来制作微米及次微米线路，搭配着极为复杂的晶圆步进曝光系统与复杂的光学镜头技术，以及特殊的光罩(Mask/Rectile)、光阻(photo resist)的搭配，来对晶圆进行线路曝光、显影以及蚀刻的程序。

近年来更进展到用氟化氪(KrF)气体产生248nm的雷射光源，以及以氟化氩(ArF)193nm波长的雷射光源来制作纳米等级(<90nm)的微米线路。接着藉由浸润式(湿式制程)机台的设计，曝光与显影的线距进而微缩到45、32nm。

接下来进展到22nm制程时，除了导入双重？多重显影(Double/Multi Patterning Technology)技术，将线路间距微缩至22nm，由于在这阶段晶圆步进曝光镜头设计越来越复杂及笨重，最新的ArF晶圆步进曝光机报价动辄超过5,000万美元，连带光罩设计也越来越复杂，未来能再微缩的余裕空间以濒临极限。例如以目前ArF 193nm Immersion浸润式机台进行22nm线宽制造，需要8道曝光与9？11道重叠区对位(OVL)步骤；若延展到10nm则需要23道曝光步骤与36？40道重叠区对位(OVL)步骤，若硬要以7nm加浸润式制程，则需要34道曝光步骤与59？65道重叠区对位(OVL)步骤。

半导体厂与机台设备业者，除了导入电桨(Plasma；或电子束E-Beam)、多重曝光显影(Multiple Patterning Lithography)去微修16/14nm制程的线距之外，正企图以10多年前就进行研发的极紫外光显影技术(Extreme UltraViolet Lithography；EUVL)导入量产。

EUV超紫外光由高功率二氧化碳雷射所产生，其波长仅13.5nm，是过去氟化氩(ArF)雷射光波长的14分之一，若以193nm的ArF搭配目前Immersion+DPT技术都能做到22nm，理论上EUV能曝光、蚀刻的线宽极限为1？2nm。

EUVL技术的另一项优势，在于可以减少反覆的光罩曝光与去除重叠区的步骤。例如前面的7nm半导体制程中，若导入EUVL微影技术，则仅需要9道曝光步骤与12道重叠区对位(OVL)步骤，即使到未来的3nm，在搭配高光圈(High NA)雷射光源下，也仅需12道曝光步骤与18？22道重叠区对位步骤。将有助于半导体顺利跨入下一个次纳米时代(<10nm, 7nm)，延续半导体摩尔定律的传奇。

EUV微影技术需克服反射式光罩与线路良率问题

过去KrF、ArF光采用穿透式石英玻璃搭配光阻的曝光显影方式，但EUV会被任何材料所携吸收，包含空气、石英玻璃与光罩保护膜等，所以晶圆必须置于真空的曝光盒(EUV Pod)，以反射式光罩的形式，EUVL曝光系统利用反射镜片及聚光多层膜反射镜将光罩上的图案反射、聚焦到曝光盒，由于要求绝对真空，这对量产机台的洁净度控制都是极大挑战。

目前EUV从光罩到晶圆曝光时，都会因EUV过短波长的绕射现象，造成造成光罩、晶圆边缘过曝的瑕疵，造成初期晶圆需频繁检测、重工需正，连带造成良率不佳的问题。

1996年桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)、加州柏克莱大学与朗讯科技携手，首度尝试以EUV进行180？75nm节点电路的曝光；2008年此产业联盟再加入IBM、超微(AMD)于纽约州Albany的纳米科学工程学院(College of Nanoscale Science and Engineering；CNSE)进行EUV设备机台的初步研发，并首度以90nm线宽制程进行实验。

台湾国家同步辐射研究中心(NSRRC)在2008？2014两期国家纳米计划的经费挹注下，也在新竹清华大学建造EUVL研究实验站，并设计建造EUV反射仪、光阻分析系统、频谱系统与同步EUV雷射光源，并接受ASML、日产化工、TSMC等半导体业界的委托计划，进行EUVL相关曝光、显影、晶圆检测等技术的研发工作。

制程设备业者也透过产业联盟的集体研发，以及上下游像是高效能光阻剂、真空EUV Pod曝光盒供应链的购并，甚至是开放半导体厂的入股集资，来加速EUVL超紫外光微影技术进入量产化制程。

执高端浸润式机台牛耳的设备龙头大厂荷商艾司摩尔(ASML Holding)，于2012年邀集英特尔(Intel)以41亿美元、15%股权进行EUVL超紫外光微影量产技术开发与机台研究，随后台积电、三星也跟进砸下14亿、9.75亿美元投资ASML并取得一定的股权，以确保未来10？7纳米EUV制程大赛中的入场门票与席次。

随即ASML于2013年，再度购并Cymer以取得DUV(深紫外光)与EUV雷射光源与真空曝光舱技术。国际半导体制造商联盟(ISMI)于2014年6月宣布，已成功制造出四十层钼化矽(Si/Mo)的零瑕疵EUV空白光罩，适用于制造50nm线距的高量产机台(High Volumn Machine)。

台积电、英特尔、三星抢进7nm EUV制程

ASML于2014年12月接晶圆代工龙头台积电2部具备7nm节点制程能力的NXE：3350B量产型EUVL曝光机订单，也将协助先前购入的两部22nm量产型制程的NXE：3300B步进曝光机，升级到NXE：3350B，预计2015年底出货。而TSMC日前宣示其研发蓝图中，10纳米量产进度定在2017年，至于7纳米量产制程预计2020年前导入，届时将会采用EUVL微影制程技术。

英特尔由于自家开发10nm制程与量产的不顺遂，加上台积电抢进7nm EUV进展的刺激，也决定大手笔投入EUV的量产制程行列。2015年4月ASML宣布接获北美大客户超大订单(据信就是英特尔)，直接下订15台NXE：3350B量产型EUVL曝光机，总金额超过15亿欧元(约540亿台币)。

2015年7月IBM研究室宣布，与合作夥伴格罗方德(Global Foundries)位于纽约州Albany的纳米科学工程学院(College of Nanoscale Science and Engineering；CNSE)成功以矽锗(SiGe)材料开发出7nm工程原型芯片，但他们宣称正式量产时间应在2017年第3季以后。由于三星与格罗方德在14nm制程上有技术合作，加上在ASML设备商上面的股权投资，相信三星在7nm EUVL制程的推进与量产进度也不落其他晶圆代工厂人后。

目前EUVL极紫外光显影技术，从研发进度已经瞄准到7nm与5nm制程，可因应未来物联网(Internet of Thing, IoT)数百亿联网装置时代下，高密度的非挥发性存储器如3D立体堆叠NAND存储器、ReRAM电阻存储器、微处理器逻辑装置的制造。

但当前仍须克服像是多层膜反射镜吸收大量EUV光源，需要超高功率同步雷射甚至电桨雷射光源(200W)，如何避免精密多层膜反射镜片，及光罩高功率EUV电桨光源的损害及表面污染等课题为曝光系统设计的最重要课题。

而一套EUV超紫外光光罩的制造成本高达上亿元台币，如此庞大的制程耗材的资本支出，将对规模不大的IC芯片设计厂商(IC Design House)形成严峻的资本门槛。