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同步輻射能當曝光機光源嗎? (一)

目前EUV波長已經一口氣推進到接近X-ray波長的上限,再要縮短波長恐怕要用新的物理機制產生新的光源。

這是近日網傳的議題,只是中國官方已經出面正式否認。

這座高能同步輻射光子源(High Energy Photon Source;HEPS)是位於北京懷柔的中科院高能所正在興建中的第四代同步輻射裝置(Synchrotron Radiation Facility)。中科院高能所於1984年開始在北京玉泉路興建第一代裝置,以後迭有升級。這已經是近40年前的舊事了。

同步輻射是高能物理實驗儀器的另類應用。原先的應用是利用電場加速電子,利用磁鐵彎曲電子行徑,並依圓形軌道運行。加速後的帶電粒子對撞生基本粒子,主要是魅夸克(charm quark)。

由於帶電粒子被加速時會放出電磁波—也就是光,同步輻射裝置也可以利用這些光探測材料及生物結構,這是目前的幾個應用範疇。但是現在談及要被應用於半導體製程中曝光機(lithography equipment)的光源了。

考慮用同步輻射來當曝光機光源絕對不是新鮮事,X-ray光阻早在80年代就是研究的題目。90年代業界在考慮未來半導體曝光機的光源時,EUV和同步輻射都是曾被考慮的方方向。

當初美國國防部高等研究計畫署(DARPA)選擇EUV,但是也有其他公司選擇同步輻射,譬如IBM。在重新檢視同步輻射是否適合當曝光機光源時,讓我們簡單回顧一下EUV的幾個特性。

EUV一般是指波長於121~10奈米的光,波長再短就是X-ray了。在EUV波長區域,並沒有天然的材料與機制可以產生雷射光,現行的13.5奈米 EUV是以二氧化碳雷射照射掉落的錫液滴(tin drop)所激發的次級光源。

由於EUV光的產生程序複雜,光的頻率集中的程度遠不如使用雷射光源的DUV,亮度(luminosity)也遠遠不如。亮度不足,曝光時間就需要較長,影響曝光機產出(throughput)。

由於EUV光的能量較DUV高,容易與物質—特別是傳統的透鏡(lens)材料—發生反應而被吸收,光的傳遞依賴於多個有多層鍍膜(multi-layer coating)的反射鏡(reflection mirror)組成光徑(optical path)並聚焦。對於半導體產業而言,這是一個全新的光學系統,這也說明為什麼EUV要發展20餘年,最終才得以商業化的原因。

即使用反射鏡來建立光徑,垂直鏡面入射的光線仍然會被部分吸收。因此,光線最好以與鏡面垂直線傾斜6、7度的角度入射。由於這個傾斜入射角,整個光學系統的數值孔徑(NA;numerical aperture)就比較難極大化,目前的EUV其NA=0.33,與DUV的NA可以高達1.2、1.3存在巨大的差距。而數值孔徑與解析度(resolution)成正比。這是個關鍵的光學特性。

由於目前EUV波長已經一口氣推進到接近X-ray波長的上限,再要縮短波長恐怕要用新的物理機制產生新的光源—那可能是另一段20年艱苦的研發旅程,所以目前產業界的努力都集中2個面向,增加NA和增加產出。

增加產出是個多面向的工作,包括增加光源的亮度、改變光阻的化學組成等;增加NA可以在不必縮短波長的狀況下增加解析度,目前的計畫是從NA=0.33增加為0.55。

以目前13.5奈米波長的EUV大概能做到哪個技術節點?

這點是整個半導體產業共同的關心。當初在討論DUV之後的曝光機光源時,當時已有摩爾定律已日暮的感覺,雖然之後又奮力推進這麼多年。

理論上,一個光源的解析度大概在光源的半波長。譬如第二代DUV ArF(argon fluoride)的波長是193奈米,理論解析度就只有96.5奈米。但是透過多重曝光(multiple exposure)、過刻(over etch)、相位移(phase shift)以及浸潤(immersion)在水中改變光的折射率(refraction index)等工程手段,193 奈米 DUV目前可以處理到7奈米的節點,問題是波長13.5奈米的EUV可以推進到哪一個技術節點?

要注意的是現在邏輯製程的節點與早年以電晶體實際的通道長度(channel length)為命名已有所有不同,7、5奈米的通道長度在10奈米以上。目前節點是以1個晶體的總體表現,如速度、功率、熱耗散、面積等因素來命名。

這問題可以從問題的另一端來思考。

如果精細結構裝置仍然以矽晶為基礎、以電磁學為控制手段,那麼矽基元件(silicon-based devise)的最小尺寸是可以粗估的。

矽的共價鍵長度為0.111奈米。要組織一個元件的功能部分(silicon-based devise)—譬如通道—至少要有幾十個原子的內部,要不然物質表面的性質可能就會影響物質內部應有的性質,因而影響元件預計的工作特性。幾十個的矽原子就是幾奈米的長度了,離現有的EUV的理論解析度尺度並不遠,這也是當初產業界一口氣將波長推進至13.5奈米的考慮。

如果對原分子的控制可以更精細、物質的表面性質可以被精確掌控,因而使用較少的矽原子也可以構成有效元件,這時在半導體製程演化至物理的自然極限前,光源的波長還留有一個小窗口,這個窗口的候選人之一就是同步輻射的光。

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。