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極紫外光刻的發展現狀

  • 林育中

圖為準分子雷射機台。IoOALP

1996年底,一具甫抵桃園機場的深紫外光刻(DUV)步進機被特殊載具以每小時低於10公里的龜速運至園區三期,三期中的柏油路是特別為載運機台協調園區管理局剛舖好的,這速度和路況是設備公司的技術要求。這是台灣第一台DUV機台,用於0.35μm製程,這當然只是牛刀小試。

又過了近1/4世紀,光源從KrF的248nm走過ArF的193nm,平台從步進機走到掃瞄機,加上浸潤式微影的技術和製程上的重複曝光等工程手段,波長193nm的光刻機居然也支撐到7nm的技術節點,比理論上解像度只有半波長的極限足足又推進了十幾倍。

台積電在N7+、三星邏輯在7nm啟用極紫外光光刻(EUV),三星在DRAM 1z製程、海力士和美光於1α製程也採用EUV。看來EUV要進入先進製程的主流了,但其實還有一票工程問題待改善,最主要的原因是雖然DUV和EUV都是雷射光,但發光的機制很不一樣。

DUV一類的雷射叫凖分子雷射(Excimer laser),基本上是受電場激發的惰性氣體與鹵族元素形成一生命期極短的二聚體(dimer,又譯凖分子),當被同時觸發電子耀遷時就放出雷射光。EUV的機制比較複雜,它內部有CO2雷射,再用這雷射兩次轟擊鍚液滴(tin droplet)電漿,鍚液滴是由液滴發生器(droplet generator)產生的。當它第一次被CO2雷射轟擊,液滴變成較扁平的狀態;第二次轟擊的時候,再激發出電漿雷射,這樣同步誘發的雷射波長為13.5nm。

由於雷射光發生的機制較為複雜,以及對解像度有更髙的要求,使得目前的EUV狀況不盡如人意。先做個總結,堪用、但尚有很大的改善空間。

目前throughput的表現是在曝光量250W時為155wph(wafer per hour)。影響機台可靠性最大的因素是錫液滴發生器,目前只能連續使用1,000小時,每次更換時間比一天稍長。雖然這比原型機已有大幅的改善,但還有改善的空間。目前機台的up time在70~85%,與其它種類機台正常的up time還有段距離。要達到95%的up time目標,更換液滴發生器的時間要縮短至8小時以下,它的壽命也得再延長。另外還有一些設備和製程的工程要素要改善,譬如光罩薄膜(mask pellicle)潔淨度的維持、光源反射器潔淨度的維持、曝光功率的提升—意味著throughput的提升、EUV光罩上光阻抗反射鍍膜(Anti-Reflective Coating;ARC)和吸收層(absorber)呈現出3維的效應-這是極小尺度才需考慮的事。

最有趣的是提髙數值孔徑(Numerical Aperture;NA)後對設計晶片連動的效應。光學系統的解像長度和波長成正比、和NA成反比,NA提升鏡頭的解像長度也會跟著微縮,這是所有微影光學戮力以求的目標。EUV未來打算把NA提升到0.55,但是為了避免光罩上因為3D效應產生的隂影,鏡頭的放大倍率必須從原來x/y方向的x4/x4倍變成x4/x8倍。但是這樣一來,可用的晶粒面積大小會變成一半(記得掃瞄機是把光罩上的圖形「縮小」到晶圓上!)。這意味著以前要把所有功能模組都集中在一塊晶片的企圖會受到約束,大晶片的時代快結束了!這間接會促使小晶片(chiplet)的技術趨勢變得更為必要。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。