微影技術(shù)持續精進(jìn) 半導體工業(yè)延續飛躍性成長(cháng)

　　半導體工業(yè)在光學(xué)微影技術(shù)的幫助下，長(cháng)期形成持續且快速的成長(cháng)態(tài)勢，但光學(xué)微影在面對更精密的制程已開(kāi)始出現應用瓶頸，尤其在小于0.1微米或更精密的制程，必須使用先進(jìn)光學(xué)微影或非光學(xué)微影術(shù)予以克服…

　　早期半導體工業(yè)在光學(xué)微影技術(shù)(OpticalLithography)支持下，不僅可以持續改善集成電路的元件特性，單一元件的集積度大幅提升，不僅使制造成本壓低，也讓產(chǎn)品的性能持續提升，但光學(xué)微影技術(shù)畢竟有其使用限制，尤其在面對更微小的線(xiàn)路制程需求時(shí)，就會(huì )有其使用瓶頸與限制產(chǎn)生，這時(shí)非光學(xué)微影術(shù)逐漸受到重視，甚至成為半導體未來(lái)跳躍性發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。

　　微影術(shù)為半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎

　　微影術(shù)(Lithography)可以說(shuō)是半導體產(chǎn)業(yè)的基礎，集成電路、半導體之所以得以快速發(fā)展，芯片功能越來(lái)越多、單價(jià)卻越來(lái)越便宜，說(shuō)是歸功于微影術(shù)的幫助可以說(shuō)是一點(diǎn)都不為過(guò)，尤其是芯片的復雜規模已經(jīng)自L(fǎng)SI(large-scaleintegratedcircuit，單一元件內達到1,000個(gè)以?xún)鹊倪壿嬮l)，擴展至VLSI(verylarge-scaleintegratedcircuit，單一元件內達到1萬(wàn)個(gè)以?xún)鹊倪壿嬮l)，甚至達到集積100萬(wàn)個(gè)邏輯閘的ULSI(ultralargescaleintegratedcircuit，單一元件內達10萬(wàn)個(gè)以?xún)鹊倪壿嬮l)的集積度水平，而在面對越來(lái)越多邏輯閘的集成需求，原有的制程技術(shù)已經(jīng)受到極大挑戰。

　　集成電路IC制程的關(guān)鍵技術(shù)，即微影技術(shù)，也是半導體制作流程中最關(guān)鍵的核心技術(shù)，以存儲器DRAM(DynamicRandomAccessMemory)集成電路元件為例，分析每個(gè)世代的DRAM產(chǎn)品大約僅能因應市場(chǎng)需求約2至3年，而每個(gè)晶粒(Die)的尺寸越小，代表著(zhù)單一晶圓可以容納的芯片(Die)數越多，為持續保有市場(chǎng)競爭力，DRAM產(chǎn)業(yè)的Die單位面積則是以每年以25%~30%尺寸縮減速度進(jìn)行，不僅芯片的體積逐年遞減，單位晶圓可以切割的芯片數也正持續增加。

　　從實(shí)際的產(chǎn)品檢視發(fā)現，DRAM自256K進(jìn)步到1MDRAM，光是設計規則就能縮小0.6~0.7倍水平，而這個(gè)進(jìn)展趨勢隨著(zhù)容量增加微縮體積比例也越來(lái)越大，但微縮比例也在64M、256MDRAM逐步出現微縮比例趨緩現象。

　　集成電路持續挑戰硅晶物理極限

　　而終端元器件單位體積持續趨近物理極限后，芯片業(yè)者為了持續保有成本優(yōu)勢，隨即往單片晶圓的面積擴大方面著(zhù)手，透過(guò)單片晶圓面積上的擴展，保有單批產(chǎn)量在Die數量上的成長(cháng)極限。但利用單晶圓尺寸的擴張，也頂多僅能治標而無(wú)法治本，為了保有半導體產(chǎn)業(yè)持續成長(cháng)的動(dòng)力，半導體業(yè)者被迫需要投入更多資源，進(jìn)行加速或升級現有微影技術(shù)的制作方案。

　　在不同微影技術(shù)方中，其中光學(xué)微影術(shù)是最重要的項目，因為光學(xué)微影術(shù)的成本效益佳，也最適合集成于半導體的量產(chǎn)加工應用需求，光學(xué)微影術(shù)制程與設備相關(guān)進(jìn)階改良也持續進(jìn)行，即使在其它新穎制程正積極被開(kāi)發(fā)、集成下，先進(jìn)光學(xué)微影技術(shù)仍會(huì )在半導體業(yè)界中維持其關(guān)鍵地位。目前光學(xué)微影在因應0.18微米制程需求仍算游刃有余，但若再持續微縮化發(fā)展，光學(xué)微影技術(shù)也會(huì )有其應用極限。

　　光學(xué)微影會(huì )躍升為半導體制程主流的原因在于，光學(xué)微影可應用于大量生產(chǎn)、制造，且有速度快、分辨率佳、成本低廉等優(yōu)勢，是其它微影或進(jìn)階微影制程所難以望其項背的。但在持續往高分辨率、高集積度的制造需求移動(dòng)時(shí)，則必須考量其它非光學(xué)微影術(shù)才能達到的超高分辨率表現，例如電子束微影術(shù)(E-beamlithographysystem)、X光微影術(shù)(X-raylithographysystem;XRL)、離子投影術(shù)(IonBeamProjectionlithographysystem;IPL)，與極短紫外光微影術(shù)(EUVlithographysystem)等。

　　電子束曝光技術(shù)

　　電子束曝光技術(shù)可處理小于0.1微米分辨率的制作需求，早期受限于設備較昂貴、產(chǎn)量低等問(wèn)題，使得電子束微影術(shù)無(wú)法如同光學(xué)步進(jìn)機這樣進(jìn)行集成電路芯片的大量生產(chǎn)。

　　電子束微影術(shù)通常被用在開(kāi)發(fā)新世代產(chǎn)品用途，而電子束曝光技術(shù)不需光罩、可節省光罩成本優(yōu)勢，在0.18、0.15微米以下制程有其使用效益。此外，電子束曝光技術(shù)相較深紫外光微影術(shù)使用的相位轉移光罩(phaseshiftmask;PSM)與光學(xué)近接效應的修正型光罩(Opticalproximitycorrection;OPC)，有制作困難度低、成本相對低廉等優(yōu)勢，電子束微影術(shù)已成為半導體制程進(jìn)化的重要選項之一。

　　但電子束曝光術(shù)仍有生產(chǎn)速度較慢的問(wèn)題，目前電子束曝光術(shù)較廣泛使用在新穎的研發(fā)元件生產(chǎn)應用上，例如針對Gate及contacthole的曝光處理等，未來(lái)若要真正在大量生產(chǎn)時(shí)導入電子束曝光術(shù)，則需要在產(chǎn)速上進(jìn)行更大的技術(shù)突破。

　　X光微影技術(shù)

　　X光微影技術(shù)則不同于一般微影技術(shù)，X光微影技術(shù)使用光源為波長(cháng)較短的微影處理，實(shí)際為應用近接式(proximity)1:1曝光形式進(jìn)行處理，尤其是同步輻射之X光在光學(xué)特性上為幾乎平行、無(wú)聚焦景深與分辨率問(wèn)題。

　　X光微影的投射光源均為自同步輻射光源引出，搭配多層光學(xué)反射鏡與光學(xué)濾鏡處理得到其特殊波長(cháng)，但一般光罩并無(wú)法有效地讓X光穿透，X光使用的光罩為由特殊材質(zhì)作為光罩基板與重金屬作為X光吸收劑，搭配X光步進(jìn)機控制搭配光罩的圖形進(jìn)行一比一形式將線(xiàn)路移轉至硅芯片之上。而由于X光微影術(shù)為使用近接式曝光，曝光分辨率由光之波長(cháng)、光罩與硅芯片間之Gap決定，為達到0.13微米或更高的分辨率能力，難度也因此大增。

　　X光微影術(shù)較大的問(wèn)題是，無(wú)法以縮小投影型式進(jìn)行曝光，而生產(chǎn)光罩即須要搭配極高精確度的處理，甚至光罩生產(chǎn)過(guò)程需要以高于晶圓曝光過(guò)程更高的精確度，透過(guò)生產(chǎn)高質(zhì)量光罩搭配X光微影術(shù)才能發(fā)揮進(jìn)階制造效益。目前因為搭配使用的光罩技術(shù)仍有相當多瓶頸須克服，即便如此，半導體產(chǎn)業(yè)仍對X光微影術(shù)寄予厚望。

　　離子投影術(shù)

　　離子投影術(shù)為歐洲重點(diǎn)研究的集成電路制程方法，為利用離子束進(jìn)行投影式微影處理，制作過(guò)程中需搭配StencilMask遮擋不需離子束照射的部份，但由于離子入射會(huì )因StencilMask鼓膜材質(zhì)產(chǎn)生嚴重的散射現象，導致其制作分辨率降低，不過(guò)近年來(lái)已針對分辨率提升發(fā)展通道式StencilMask，使其射入之離子降低散射角度。

　　但離子投影制程也頗多問(wèn)題尚待解決，例如，StencilMask本身產(chǎn)生的熱效應須在制造過(guò)程搭配冷卻循環(huán)裝置，形成系統趨于復雜;而離子投影術(shù)每次曝光的面積很大，在生產(chǎn)時(shí)有速度快、產(chǎn)能高優(yōu)勢，只適合大量生產(chǎn)。

　　EUVL極短紫外光微影術(shù)

　　EUVL極短紫外光微影術(shù)為運用雷射通入Xe氣體所產(chǎn)生的光線(xiàn)，光的波長(cháng)約為13nm，制程曝光需在真空下進(jìn)行，系統鏡片均為反射式鏡片，所搭配的光罩與傳統應用的光學(xué)光罩并不同，光罩表面需要相對高度平坦。

　　紫外光微影術(shù)較大難題是需搭配defect-free、高度平坦程度的光罩基底(MaskBlank)，并搭配可檢測、修補光罩的設備偕同運行進(jìn)行制程。因應半導體產(chǎn)業(yè)所需的高精度制程與持續維持30%的成本優(yōu)化，EUVL極短紫外光微影術(shù)可有效減少多重曝光步驟，自然可以降低晶圓的加工成本，即便設備單價(jià)高昂，仍舊吸引半導體廠(chǎng)積極投入設備投資與持續關(guān)注相關(guān)技術(shù)進(jìn)展。