領袖觀點 |新世代奈米微影製程設備發展趨勢與展望

作者:

蔡坤諭、李建霖

刊登日期:2022/05/30

前言
摩爾定律為美國英特爾(Intel)公司創始人之一暨名譽董事長戈登·摩爾博士根據產業觀察提出之經驗法則,其內容大致為積體電路上之電晶體數目約每兩年會增加一倍,換句話說即晶片之效能加倍或生產同樣效能晶片之成本減半,主要意義在於為半導體產業訂立經濟與技術發展重要趨勢指標。摩爾定律被提出以來已超過半個世紀,主流半導體產業大致遵循此定律發展,隨之帶動科技創新、社會改革及經濟增長。雖然近年來因電晶體尺寸逐漸接近相關物理極限,使得晶片微縮難度因功耗、連線頻寬受物理限制而增加,造成微縮趨勢稍微減緩,但整體仍持續往提升晶片效能(運算速度提升、功耗減少、面積縮小或成本減低)的方向邁進。推動摩爾定律前進背後最主要關鍵因素之一為微影技術,半導體製造商仰賴此技術方能將各半導體設計公司所設計之電路佈局圖實現於晶圓上。反之而言,微影技術的演進在經濟上亦受新世代電路元件帶來的晶片微縮需求驅動。本文將以現今最前端半導體製造商所使用之微影技術出發,探討未來可能之新技術方向,及與臺灣半導體產業之關係及展望。

延續摩爾定律 極紫外光微影技術
作為目前生產7奈米以下節點先進邏輯電路之量產微影技術,極紫外光微影技術(Extreme Ultraviolet Lithography, EUVL)其實早於二十多年前為了繼續推動摩爾定律在未來幾十年持續成立,作為當時可能的次世代微影技術,在以Intel為主發起的EUV LLC研發聯盟下投入相當研究能量,並在上個世紀末即初步證實了EUVL技術的量產可行性;筆者於2000年初曾任職於Intel公司EUV技術研發部門,亦於回台任教後參與發起2008-2014年的兩期國家奈米計畫,協助臺灣投入EUVL技術研發之行列,也與團隊夥伴們成功執行國內外產業界與EUVL相關之委託計畫,以相當有限的整體投入規模逐漸促進臺灣產學研於EUVL技術的研發腳步。自EUVL技術從實驗室研發階段結束到近年開始正式投入量產卻又經過十多年時間,其原因除仍需投入大量的資金及人力使實驗階段到量產應用的差距能夠彌平,使得多數企業對於投入資源於EUVL量產技術研發偏向保守,也與當時被認為即將到解析度極限的193奈米乾式微影技術,因時任TSMC研發副總的林本堅院士提出之突破性浸潤式微影技術,使193奈米波段光源又可以再繼續延用有關,搭配近年大量使用的多重曝光(Multiple patterning)技術,EUVL正式投入量產應用的時點曾因此不斷延後,最終被定位在10奈米以下節點的更高解析度需求,也間接造成EUVL技術量產應用的經濟與技術層面難度不斷提升。

有別於過往的紫外光微影技術,多數材料對於EUVL所使用的13.5奈米波段光源吸收率都相當大,為了提高效率,因此EUVL需要在低真空環境下運作並且光學系統以反射式鏡片取代傳統透鏡。目前EUVL反射鏡上透過鍍上多層鉬矽薄膜可以在13.5奈米波段下達到接近70%反射率的效能,同時表面粗糙度必須控制在皮米以下,然而為達成10奈米以下節點所需之解析度需求,負責設計光學系統的知名德國光學設備製造商ZEISS必須使用多組反射鏡片,以使數值孔徑(Numerical Aperture, NA)達解析度所需的0.33,使得最終到達晶圓上的功率只有光源極少部分,這會對EUVL的產速產生極大影響。經濟上為了使生產成本能夠符合量產需求,EUVL每小時晶圓產量必須要能和採用多重曝光之193奈米浸潤式微影技術匹敵,因此提高穩定輸出之光源功率一直都是EUVL技術能否量產應用的重要課題之一。EUVL量產機台之光源是以高能二氧化碳雷射每秒數萬次擊打高速射出之錫滴,並透過一橢圓反光鏡將產生之EUV光收進微影機台,但受到高能雷射擊打的錫滴氣化擴散最終沉積在反光鏡上會使得鏡頭效能降低,需要透過通入氫氣使沉積在反光鏡上的錫和氫原子結合變成氫化錫並抽出腔體;為了能夠長時間穩定輸出高功率之EUV光源,二氧化碳雷射功率、錫滴速率、氫氣流量壓力等參數調整成為關鍵因素之一,這項問題最終在極紫外光源供應商美國Cymer、曝光設備供應商荷蘭ASML及其主要客戶如Intel、韓國Samsung、我國TSMC等長期共同研發下從最初的不到10瓦功率,達到開始投入量產所需之250瓦EUV光源輸出功率。

由技術發展史角度,EUV微影設備只靠一間公司研發是無法成為量產技術的,原本上世紀的微影曝光設備霸主日本Nikon因種種原因無法延續大規模投入EUV技術研發,而後起之秀ASML成功取得半導體前三大製造商及Intel、Samsung、TSMC合力投資,透過和各核心技術之供應商如光源Cymer、光學系統ZEISS、全世界多家精密儀器系統製造商等共同合作研發與整合方才確保EUVL技術於導入量產應用上的成功。除此之外,有別於過往使用的193奈米波段光源,EUVL技術配套之光罩與光阻技術亦需投入相對應之研發能量,由此可見EUVL技術量產應用的開發可謂集全球半導體業界之力才能有成功的一刻。如今,TSMC率先在7奈米節點有4-5層及5奈米節點有10多層製程的EUVL應用,取代多於它4倍製程的193奈米浸潤式微影加上多重曝光技術,證明一台造價至少30億元以上的EUV微影曝光設備於商業應用上有足夠之經濟利益,並幫助TSMC近年站穩先進製程技術量產的龍頭。

…本文未結束

更完整的內容 歡迎訂購 2022年6月號 471期
機械工業雜誌‧每期220元‧一年12期2200元

我要訂購