微影技術(shù)日益精進 半導(dǎo)體工藝持續(xù)成長

　　半導(dǎo)體工業(yè)在光學(xué)微影技術(shù)的幫助下，長期形成持續(xù)且快速的成長態(tài)勢，但光學(xué)微影在面對更精密的制程已開始出現(xiàn)應(yīng)用瓶頸，尤其在小于0.1微米或更精密的制程，必須使用先進光學(xué)微影或非光學(xué)微影術(shù)予以克服…

　　早期半導(dǎo)體工業(yè)在光學(xué)微影技術(shù)（Optical Lithography）支持下，不僅可以持續(xù)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(xù)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路制程需求時，就會有其使用瓶頸與限制產(chǎn)生，這時非光學(xué)微影術(shù)逐漸受到重視，甚至成為半導(dǎo)體未來跳躍性發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。

　　微影術(shù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)

　　微影術(shù)（Lithography）可以說是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，集成電路、半導(dǎo)體之所以得以快速發(fā)展，芯片功能越來越多、單價卻越來越便宜，說是歸功于微影術(shù)的幫助可以說是一點都不為過，尤其是芯片的復(fù)雜規(guī)模已經(jīng)自LSI（large-scale integrated circuit，單一元件內(nèi)達到1，000個以內(nèi)的邏輯閘），擴展至VLSI（very large-scale integrated circuit，單一元件內(nèi)達到1萬個以內(nèi)的邏輯閘），甚至達到集積100萬個邏輯閘的ULSI（ultra large scale integrated circuit，單一元件內(nèi)達10萬個以內(nèi)的邏輯閘）的集積度水平，而在面對越來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(zhàn)。

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

　　從實際的產(chǎn)品檢視發(fā)現(xiàn)，DRAM自256K進步到1M DRAM，光是設(shè)計規(guī)則就能縮小0.6~0.7倍水平，而這個進展趨勢隨著容量增加微縮體積比例也越來越大，但微縮比例也在64M、256M DRAM逐步出現(xiàn)微縮比例趨緩現(xiàn)象。

　　集成電路持續(xù)挑戰(zhàn)硅晶物理極限

　　而終端元器件單位體積持續(xù)趨近物理極限后，芯片業(yè)者為了持續(xù)保有成本優(yōu)勢，隨即往單片晶圓的面積擴大方面著手，透過單片晶圓面積上的擴展，保有單批產(chǎn)量在 Die數(shù)量上的成長極限。但利用單晶圓尺寸的擴張，也頂多僅能治標(biāo)而無法治本，為了保有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)成長的動力，半導(dǎo)體業(yè)者被迫需要投入更多資源，進行加速或升級現(xiàn)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(dǎo)體的量產(chǎn)加工應(yīng)用需求，光學(xué)微影術(shù)制程與設(shè)備相關(guān)進階改良也持續(xù)進行，即使在其它新穎制程正積極被開發(fā)、集成下，先進光學(xué)微影技術(shù)仍會在半導(dǎo)體業(yè)界中維持其關(guān)鍵地位。目前光學(xué)微影在因應(yīng)0.18微米制程需求仍算游刃有余，但若再持續(xù)微縮化發(fā)展，光學(xué)微影技術(shù)也會有其應(yīng)用極限。

　　光學(xué)微影會躍升為半導(dǎo)體制程主流的原因在于，光學(xué)微影可應(yīng)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，是其它微影或進階微影制程所難以望其項背的。但在持續(xù)往高分辨率、高集積度的制造需求移動時，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(xiàn)，例如電子束微影術(shù)（E-beam lithography system）、X光微影術(shù)（X-ray lithography system；XRL）、離子投影術(shù)（Ion Beam Projection lithography system；IPL），與極短紫外光微影術(shù)（EUV lithography system）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(shè)備較昂貴、產(chǎn)量低等問題，使得電子束微影術(shù)無法如同光學(xué)步進機這樣進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(jié)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(zhuǎn)移光罩（phase shift mask；PSM）與光學(xué)近接效應(yīng)的修正型光罩（Optical proximity correction；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(dǎo)體制程進化的重要選項之一。

　　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(yīng)用上，例如針對Gate及contact hole的曝光處理等，未來若要真正在大量生產(chǎn)時導(dǎo)入電子束曝光術(shù)，則需要在產(chǎn)速上進行更大的技術(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)使用光源為波長較短的微影處理，實際為應(yīng)用近接式（proximity） 1:1曝光形式進行處理，尤其是同步輻射之X光在光學(xué)特性上為幾乎平行、無聚焦景深與分辨率問題。

　　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，但一般光罩并無法有效地讓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光步進機控制搭配光罩的圖形進行一比一形式將線路移轉(zhuǎn)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、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)較大的問題是，無法以縮小投影型式進行曝光，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)過程需要以高于晶圓曝光過程更高的精確度，透過生產(chǎn)高質(zhì)量光罩搭配X光微影術(shù)才能發(fā)揮進階制造效益。目前因為搭配使用的光罩技術(shù)仍有相當(dāng)多瓶頸須克服，即便如此，半導(dǎo)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)為歐洲重點研究的集成電路制程方法，為利用離子束進行投影式微影處理，制作過程中需搭配Stencil Mask遮擋不需離子束照射的部份，但由于離子入射會因Stencil Mask鼓膜材質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象，導(dǎo)致其制作分辨率降低，不過近年來已針對分辨率提升發(fā)展通道式Stencil Mask，使其射入之離子降低散射角度。

　　但離子投影制程也頗多問題尚待解決，例如，Stencil Mask本身產(chǎn)生的熱效應(yīng)須在制造過程搭配冷卻循環(huán)裝置，形成系統(tǒng)趨于復(fù)雜；而離子投影術(shù)每次曝光的面積很大，在生產(chǎn)時有速度快、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，光的波長約為13nm，制程曝光需在真空下進行，系統(tǒng)鏡片均為反射式鏡片，所搭配的光罩與傳統(tǒng)應(yīng)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（Mask Blank），并搭配可檢測、修補光罩的設(shè)備偕同運行進行制程。因應(yīng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所需的高精度制程與持續(xù)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(shè)備單價高昂，仍舊吸引半導(dǎo)體廠積極投入設(shè)備投資與持續(xù)關(guān)注相關(guān)技術(shù)進展。