如何將半導(dǎo)體元件尺寸越縮越小、推向極限

自光學(xué)微影技術(shù)出現(xiàn)，集成電路（Integrated circuit，IC）體積跟隨著摩爾定律不斷縮小，到踏入3納米量產(chǎn)的今日，IC 可說足足縮小了百萬倍！這成果并非一蹴可幾，而是多年來半導(dǎo)體研發(fā)人員和工程師的心血累積。在不久前的臺(tái)灣地區(qū)中研究院111年知識(shí)饗宴科普講座上，被譽(yù)為浸潤式光刻之父的林本堅(jiān)林本堅(jiān)院士以「光學(xué)微影縮IC 百萬倍」為題，分享光學(xué)微影一路走來，如何將半導(dǎo)體元件尺寸越縮越小、推向極限。

隨著集成電路（IC）與半導(dǎo)體制程進(jìn)展，智能手機(jī)、平板等3C 產(chǎn)品，體積越來越小，速度卻越來越快，功能也越來越多、越強(qiáng)大。這歸根到底，是因現(xiàn)在半導(dǎo)體技術(shù)把IC 越做越小，3C 產(chǎn)品可放入的元件數(shù)量越來越多，自然能做的事就更多，效率也增加了。

IC 越做越小的關(guān)鍵技術(shù)在于光學(xué)微影（Optical Lithography）。光學(xué)微影簡單來說，就是制作元件時(shí)，將元件組成材料依所需位置「印」在半導(dǎo)體晶圓上的技術(shù)。能印出越精細(xì)的圖案，就能制作越小的元件。

如果讀者好奇手機(jī)或電腦IC 芯片是怎么做出來的，可參考蔡司公司視頻，解釋芯片從原料到封裝的整個(gè)過程，曝光（exposure）步驟，就是此文要介紹的主題。

衡量元件尺寸的關(guān)鍵指標(biāo)之一為「晶體管閘極長度」（Gate length），這數(shù)字與IC 速度直接相關(guān)。以場效晶體管來說，閘極長度越小，電流就可花更少時(shí)間通過晶體管漏極和源極。

如果要表示元件微縮程度，另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為線寬和周距（Pitch），通常以金屬層線與線的周距為參考基準(zhǔn)，周距越小，線寬也越小，元件微縮程度越高。

▲ 線寬與周距示意圖，周距為線寬加上線與線的間距，可表示金屬線周期性排列的尺度大小。

如今到了單位數(shù)納米世代（如7納米或5納米制程），這些數(shù)字逐漸演變?yōu)槭来鷺?biāo)志。雖然IC 還是越小越好，但新世代制程可能代表運(yùn)算快、密度高、價(jià)錢便宜等其他綜合優(yōu)點(diǎn)。

那IC 目前到底縮小多少？先有個(gè)概念，如果把每個(gè)世代視為實(shí)際尺寸，自從1980 年代有光學(xué)微影技術(shù)以來，線寬從一開始5,000納米降到現(xiàn)在5納米，甚至往3納米邁進(jìn)。線寬不斷縮小，每代約縮小上一代0.7 倍，到5納米是第21 代。經(jīng)過「代代相傳」，線寬縮小1,000 倍，換算下來，同面積能放入的元件數(shù)量高達(dá)原本100 萬倍！

光學(xué)微影技術(shù)如魔法把線寬一步步縮小，靠的是多年來研發(fā)人員一步步努力。林本堅(jiān)院士在「光學(xué)微影縮IC 百萬倍」科普講座，細(xì)數(shù)關(guān)鍵改良點(diǎn)及挑戰(zhàn)。

IC 如何縮??？追求最小線寬

先從核心光學(xué)解析度公式開始：

半周距（Half Pitch）= k1λ／sinθ

半周距：一條線寬加上線與線間距后乘以0.5。曝光解析度高時(shí)，半周距可做得越小，代表線寬越小。

k1：系數(shù)，與制程有關(guān)，縮小半周距的關(guān)鍵，是所有半導(dǎo)體工程師致力縮小的目標(biāo)。

λ：微影制程的光源波長，從一開始436納米降到13.5納米。

sinθ：與鏡頭聚光至成像面的角度有關(guān)，基本上由鏡頭決定。

▲ 光線通過透鏡系統(tǒng)聚焦成像示意圖，n 為介質(zhì)折射率，θ 為鏡頭聚焦至成像面的角度。（Source：111 年中央研究院知識(shí)饗宴）

由于光在不同介質(zhì)波長會(huì)改變，因此考慮如何增加解析度時(shí)，可將鏡頭與成像面（晶圓）的介質(zhì)（折射率n）一并納入考慮，將λ 改以λ0/n 表示，λ0 是真空波長。

半周距（Half Pitch）= k1λ0／n sinθ

故增加曝光解析度（半周距↓）的努力方向?yàn)椋涸黾觭inθ、降低λ0、降低k1、增加n。

另一方面，為了讓微影制程有夠大曝光清晰范圍，鏡頭成像景深（DOF）數(shù)字越大越好（注），但景深變大的副作用是半周距也會(huì)跟著變大，因此制程改良必須考慮兩者平衡或相互犧牲。

增加sinθ：巨大復(fù)雜的鏡頭

sinθ 與鏡頭聚光角度有關(guān)，數(shù)值由鏡頭決定，sinθ 越大，解析度越高。光學(xué)微影鏡頭不如平常相機(jī)或望遠(yuǎn)鏡那樣簡單，而是由非常多大大小小、不同厚薄及曲率的透鏡，經(jīng)精確計(jì)算后仔細(xì)堆疊組成（下圖）。

這種鏡頭極其精密，林本堅(jiān)透露：「6,000 萬美元鏡頭已不稀奇，1 億美元都有可能。」鏡頭做得復(fù)雜、巨大又昂貴，是為了盡可能將sinθ 逼近極值，也就是1。「目前鏡頭可將sinθ 值做到0.93，已非常辛苦了?！?/p>

▲ 光刻機(jī)的鏡頭設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，林本堅(jiān)提到目前業(yè)界盡可能提升sinθ 值到0.93。圖中NA = n．sinθ = 0.9，空氣折射率n 約為1，故此鏡頭sinθ 為0.9。鏡頭模組實(shí)際使用時(shí)會(huì)立起來垂直地面（如下圖）。（Source：111 年中央研究院知識(shí)饗宴）

▲ 林本堅(jiān)強(qiáng)調(diào)光刻機(jī)鏡頭模組非常巨大，重到必須出動(dòng)起重機(jī)才能搬運(yùn)。（Source：111 年中央研究院知識(shí)饗宴）

縮短波長：材料與鏡頭的精準(zhǔn)搭配

第二個(gè)方法是縮短波長。雖說改變光源就能得到不同波長，但不同波長光經(jīng)過透鏡后折射方向不同，鏡頭材料也必須改變。林本堅(jiān)表示，當(dāng)波長越縮越短，「我們能選擇的鏡頭材料也越來越少，最后就只有那兩三種可以用。」

用少數(shù)幾種材枓調(diào)適光源的頻寬越來越難。后來大家轉(zhuǎn)而選擇單一種合適的材料，并針對(duì)適合這種材料的波長，將頻寬盡量縮窄。林本堅(jiān)說：「連激光的頻寬都不夠窄小，現(xiàn)在頻寬縮窄到難以想像的程度?！?/p>

另一種解決問題的方法，是在鏡頭組成加入反射鏡，稱為反射折射式光學(xué)系統(tǒng)（Catadioptric system）。因不管什么波長的光，遇到鏡面的入射角和反射角都相等，若能以一些反射鏡面取代透鏡，就能增加對(duì)光波頻寬的容忍度。

▲ 波長193納米光源的曝光鏡頭模組，可看到透鏡組合加入反射鏡。（Source：Proceedings of the IEEE）

后來到了13.5納米（極紫外光，EUV）波長時(shí)，甚至必須整組鏡頭都使用反光鏡，稱為全反射式光學(xué)系統(tǒng)（All reflective system），可參考下方ASML 的展示影片。林本堅(jiān)表示，全反射鏡系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)得讓光束相互避開，使鏡片不擋住光線。此外，相較透鏡穿透角度，鏡面反射角度的誤差容忍度更低，鏡面角度必須非常非常精準(zhǔn)。以上這些都增加設(shè)計(jì)困難度。

曝光波長改變還會(huì)牽涉到曝光光阻，光阻材料從化學(xué)性質(zhì)、透光度到感光度等各項(xiàng)特性，都必須隨曝光波長改變調(diào)整，「這是浩大的工程，且感光速度非常重要，是節(jié)省制造成本的關(guān)鍵?！沽直緢?jiān)說。

值得一提的是，光阻材料的感光速度在微縮IC 歷史上相當(dāng)重要。1980 年代，時(shí)任IBM 的CG Willson 和H. Iro 率先提出以化學(xué)方式放大光阻感光速度的方法，將感光速度提升10~100 倍，大幅增加曝光效率。這項(xiàng)重大發(fā)明，讓CG Willson 在2013 年榮獲「日本國際獎(jiǎng)」（Japan Prize），可惜當(dāng)時(shí)H. Iro博士已過世，無法一同受獎(jiǎng)。

降低k1：解析度增益技術(shù)（RET）

提高解析度的重頭戲就在如何降低k1。林本堅(jiān)說：「你可以不買昂貴的鏡頭，也可以不選用需要很多研發(fā)工夫的新波長。只要你能用聰明才智與創(chuàng)造力，將k1 降下來?！?/p>

首先是「防震動(dòng)」，就好像拍照開防手震功能，晶圓曝光時(shí)設(shè)法減少晶圓和光罩相對(duì)震動(dòng)，使曝光圖形更精準(zhǔn)，恢復(fù)因震動(dòng)損失的解析度。再來是「減少無用反射」，曝光時(shí)有很多表面會(huì)產(chǎn)生不需要的反射，要設(shè)法消除。林本堅(jiān)表示，改良上述兩項(xiàng)，k1 就能達(dá)到0.65 水準(zhǔn)。

提高解析度還能用雙光束成像（2-beam Imaging）法，分別有「偏軸式曝光」（Off-Axis Illumination，OAI）及「移相光罩」（Phase Shift Mask，PSM）兩種。

偏軸式曝光是調(diào)整光源入射角度，讓光線斜射進(jìn)入光罩，原本應(yīng)通過光罩繞射的三束光（1 階、0 階與-1 階），會(huì)去掉外側(cè)一束光（1 階或-1 階），只留下兩束光（如0 階和1 階）。透過角度調(diào)整，很巧妙讓兩道光相互干涉成像，使解析度增加并增加景深。

移相光罩則在光罩動(dòng)手腳，讓穿過相鄰?fù)腹鈪^(qū)的光有180 度相位差。相位差180 度的光波強(qiáng)度不會(huì)改變，只是振幅方向相反。如此一來，相鄰?fù)腹鈪^(qū)的光兩兩干涉之后，剛好會(huì)在遮蔽區(qū)相消（該暗的地方更暗），增加透光區(qū)與遮蔽區(qū)的對(duì)比，進(jìn)而提高解析度。

「這兩種做法都可讓k1 減少一半?！沽直緢?jiān)笑說：「可惜這兩種方法都是用2-beam Imaging 概念，不能疊加使用?！?/p>

目前業(yè)界多半采偏軸式曝光，林本堅(jiān)表示：「移相光罩一方面比較貴，另一方面不能任意設(shè)計(jì)圖案，必須考慮鄰近相位不抵消的問題?！估酶鞣N降低k1 的技術(shù)，已將k1 降到0.28，「這幾乎是這些技術(shù)能達(dá)到的k1 極限了。」

要進(jìn)一步降低k1 ，還有辦法！就是用兩個(gè)以上光罩，稱為「多圖案微影」。簡單說，將密集圖案分工給兩個(gè)以上圖案較寬松的光罩，輪流曝光至晶圓，可避免透光區(qū)過于接近，使圖案模糊的問題。缺點(diǎn)則是曝光次數(shù)加倍，等于效率降低一半。

增加n：浸潤式微影技術(shù)

增加微影解析度之路，最后可動(dòng)手腳的就是鏡頭與晶圓的介質(zhì)。林本堅(jiān)提出的浸潤式微影技術(shù)，將鏡頭與晶圓的介質(zhì)從折射率n~1 的空氣，改成ｎ= 1.44 的水（對(duì)應(yīng)波長為193納米光），形同將波長等效縮小為134納米。

浸潤式微影技術(shù)讓半導(dǎo)體制程12 年內(nèi)往前走了6 代：從45納米直到7納米。林本堅(jiān)補(bǔ)充，這技術(shù)優(yōu)勢(shì)在「可繼續(xù)使用同樣波長和光罩，只要把水放到鏡頭底部和晶圓中間就好。」

▲ 干式微影光學(xué)系統(tǒng)與浸潤式微影光學(xué)系統(tǒng)的差異。（Source：111 年中央研究院知識(shí)饗宴）

不過林本堅(jiān)話鋒一轉(zhuǎn)?！肝艺f得很輕松，把水放進(jìn)去就好，但背后有很多技術(shù)?！谷缢锌諝饪赡茏屗a(chǎn)生氣泡，必須完全移除。另水必須很均勻，透光區(qū)照到光的水，會(huì)比遮蔽區(qū)的水熱一點(diǎn)，溫差會(huì)讓水不均勻，影響成像。為了避免溫差，必須讓水快速流動(dòng)混合，但又可能產(chǎn)生漩渦。

這很考驗(yàn)機(jī)臺(tái)放水的裝置，如何讓水流快速均勻又不起漩渦？這是個(gè)大學(xué)問，至今放水裝置起碼重新設(shè)計(jì)了6~8 次。

水的另一個(gè)特點(diǎn)，就是「很好的清洗劑」。使用浸潤式微影技術(shù)時(shí)，水很容易把鏡頭等所有接觸物品上的雜質(zhì)都洗掉，「結(jié)果就是晶圓有上千個(gè)缺陷（defects）。我們花了很多工夫把缺陷數(shù)從幾千個(gè)降到幾百個(gè)、幾十個(gè)，最后降到零?！沽直緢?jiān)說：「那需要投入很多人力和晶圓才能做到?！?/p>

半導(dǎo)體人才得是專才、通才，也是活才

演講最后，身為臺(tái)灣地區(qū)清華大學(xué)半導(dǎo)體研究學(xué)院院長的林本堅(jiān)提及人才培養(yǎng)。半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)到非常復(fù)雜，沒有一個(gè)學(xué)生能精通所有技術(shù)層面。林本堅(jiān)說：「所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體需要團(tuán)隊(duì)合作?！?/p>

踏入這塊領(lǐng)域的學(xué)生，林本堅(jiān)期許除了要有基本的理工能力，還需要有好奇心，會(huì)發(fā)現(xiàn)新問題，也會(huì)找到有趣的新技術(shù)（活才）?！溉绻荒茏约喊l(fā)現(xiàn)新技術(shù)，會(huì)永遠(yuǎn)跟在別人后面」。

林本堅(jiān)強(qiáng)調(diào)，這不是簡單的事，因「真的有學(xué)不完的東西」。半導(dǎo)體可分成材料、制程、設(shè)計(jì)、元件四領(lǐng)域，「希望學(xué)生至少精通一個(gè)領(lǐng)域，有本領(lǐng)深入鉆研（專才）。但對(duì)其他領(lǐng)域，也得有某種程度的認(rèn)識(shí)（通才），才能彼此合作，解決問題?！?/p>

審核編輯 ：李倩