IC 縮小術!林本堅院士談光學微影如何把 IC 愈變愈小

作者 | 發布日期 2022 年 08 月 29 日 8:30 | 分類 半導體 , 尖端科技 , 晶圓 line share follow us in feedly line share
IC 縮小術!林本堅院士談光學微影如何把 IC 愈變愈小


自光學微影技術出現,積體電路(Integrated circuit,IC)體積跟隨著摩爾定律不斷縮小,到踏入 5 奈米量產的今日,IC 可說足足縮小了百萬倍!這成果並非一蹴可幾,而是多年來半導體研發人員和工程師的心血累積。中央研究院 111 年知識饗宴科普講座,林本堅院士以「光學微影縮 IC 百萬倍」為題,分享光學微影一路走來,如何將半導體元件尺寸愈縮愈小、推向極限。

▲ 林本堅院士分享半導體微影技術的發展歷程。

隨著積體電路(IC)與半導體製程進展,智慧手機、平板等 3C 產品,體積愈來愈小,速度卻愈來愈快,功能也愈來愈多、愈強大。這歸根究柢,是因現在半導體技術把 IC 愈做愈小,3C 產品可放入的元件數量愈來愈多,自然能做的事就更多,效率也增加了。

IC 愈做愈小的關鍵技術在於光學微影(Optical Lithography)。光學微影簡單來說,就是製作元件時,將元件組成材料依所需位置「印」在半導體晶圓上的技術。能印出愈精細的圖案,就能製作愈小的元件。

如果讀者好奇手機或電腦 IC 晶片是怎麼做出來的,可參考蔡司公司影片,解釋晶片從原料到封裝的整個過程,曝光(exposure)步驟,就是此文要介紹的主題。

衡量元件尺寸的關鍵指標之一為「電晶體閘極長度」(Gate length),這數字與 IC 速度直接相關。以場效電晶體來說,閘極長度愈小,電流就可花更少時間通過電晶體汲極和源極。

如果要表示元件微縮程度,另一個關鍵指標為線寬和週距(Pitch),通常以金屬層線與線的週距為參考基準,週距愈小,線寬也愈小,元件微縮程度愈高。

▲ 線寬與週距示意圖,週距為線寬加上線與線的間距,可表示金屬線週期性排列的尺度大小。

如今到了單位數奈米世代(如 7 奈米或 5 奈米製程),這些數字逐漸演變為世代標誌。雖然 IC 還是愈小愈好,但新世代製程可能代表運算快、密度高、價錢便宜等其他綜合優點。

那 IC 目前到底縮小多少?先有個概念,如果把每個世代視為實際尺寸,自從 1980 年代有光學微影技術以來,線寬從一開始 5,000 奈米降到現在 5 奈米,甚至往 3 奈米邁進。線寬不斷縮小,每代約縮小上一代 0.7 倍,到 5 奈米是第 21 代。經過「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量高達原本 100 萬倍!

光學微影技術如魔法把線寬一步步縮小,靠的是多年來研發人員一步步努力。林本堅院士在「光學微影縮 IC 百萬倍」科普講座,細數關鍵改良點及挑戰。

IC 如何縮小?追求最小線寬

先從核心光學解析度公式開始:

半週距(Half Pitch)= k1λ/sinθ

  • 半週距:一條線寬加上線與線間距後乘以 0.5。曝光解析度高時,半週距可做得愈小,代表線寬愈小。
  • k1:係數,與製程有關,縮小半週距的關鍵,是所有半導體工程師致力縮小的目標。
  • λ:微影製程的光源波長,從一開始 436 奈米降到 13.5 奈米。
  • sinθ:與鏡頭聚光至成像面的角度有關,基本上由鏡頭決定。

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

由於光在不同介質波長會改變,因此考慮如何增加解析度時,可將鏡頭與成像面(晶圓)的介質(折射率 n)一併納入考量,將 λ 改以 λ0/n 表示,λ0 是真空波長。

半週距(Half Pitch)= k1λ0/n sinθ

故增加曝光解析度(半週距 ↓)的努力方向為:增加 sinθ、降低 λ0、降低 k1、增加 n。

另一方面,為了讓微影製程有夠大曝光清晰範圍,鏡頭成像景深(DOF)數字愈大愈好(註),但景深變大的副作用是半週距也會跟著變大,因此製程改良必須考慮兩者平衡或相互犧牲。

增加 sinθ:巨大複雜的鏡頭

sinθ 與鏡頭聚光角度有關,數值由鏡頭決定,sinθ 愈大,解析度愈高。光學微影鏡頭不如平常相機或望遠鏡那樣簡單,而是由非常多大大小小、不同厚薄及曲率的透鏡,經精確計算後仔細堆疊組成(下圖)。

這種鏡頭極其精密,林本堅透露:「6,000 萬美元鏡頭已不稀奇,1 億美元都有可能。」鏡頭做得複雜、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。」

▲ 微影機的鏡頭設計相當複雜,林本堅提到目前業界盡可能提升 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。鏡頭模組實際使用時會立起來垂直地面(如下圖)。(Source:111 年中央研究院知識饗宴

▲ 林本堅強調微影機鏡頭模組非常巨大,重到必須出動起重機才能搬運。(Source:111 年中央研究院知識饗宴

縮短波長:材料與鏡頭的精準搭配

第二個方法是縮短波長。雖說改變光源就能得到不同波長,但不同波長光經過透鏡後折射方向不同,鏡頭材料也必須改變。林本堅表示,當波長愈縮愈短,「我們能選擇的鏡頭材料也愈來愈少,最後就只有那兩三種可以用。」

用少數幾種材枓調適光源的頻寬愈來愈難。後來大家轉而選擇單一種合適的材料,並針對適合這種材料的波長,將頻寬盡量縮窄。林本堅說:「連雷射的頻寬都不夠窄小,現在頻寬縮窄到難以想像的程度。」

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系統(Catadioptric system)。因不管什麼波長的光,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,就能增加對光波頻寬的容忍度。

▲ 波長 193 奈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

後來到了 13.5 奈米(極紫外光,EUV)波長時,甚至必須整組鏡頭都使用反光鏡,稱為全反射式光學系統(All reflective system),可參考下方 ASML 的展示影片。林本堅表示,全反射鏡系統必須設計得讓光束相互避開,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。以上這些都增加設計困難度。

曝光波長改變還會牽涉到曝光光阻,光阻材料從化學性質、透光度到感光度等各項特性,都必須隨曝光波長改變調整,「這是浩大的工程,且感光速度非常重要,是節省製造成本的關鍵。」林本堅說。

值得一提的是,光阻材料的感光速度在微縮 IC 歷史上相當重要。1980 年代,時任 IBM 的 C.G. Willson 和 H. Iro 率先提出以化學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。這項重大發明,讓 C.G. Willson 在 2013 年榮獲「日本國際獎」(Japan Prize),可惜當時 H. Iro 博士已過世,無法一同受獎。

降低 k1:解析度增益技術(RET)

提高解析度的重頭戲就在如何降低 k1。林本堅說:「你可以不買昂貴的鏡頭,也可以不選用需要很多研發工夫的新波長。只要你能用聰明才智與創造力,將 k1 降下來。」

首先是「防震動」,就好像拍照開防手震功能,晶圓曝光時設法減少晶圓和光罩相對震動,使曝光圖形更精準,恢復因震動損失的解析度。再來是「減少無用反射」,曝光時有很多表面會產生不需要的反射,要設法消除。林本堅表示,改良上述兩項,k1 就能達到 0.65 水準。

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。

偏軸式曝光是調整光源入射角度,讓光線斜射進入光罩,原本應通過光罩繞射的三束光(1 階、0 階與 -1 階),會去掉外側一束光(1 階或 -1 階),只留下兩束光(如 0 階和 1 階)。透過角度調整,很巧妙讓兩道光相互干涉成像,使解析度增加並增加景深。

移相光罩則在光罩動手腳,讓穿過相鄰透光區的光有 180 度相位差。相位差 180 度的光波強度不會改變,只是振幅方向相反。如此一來,相鄰透光區的光兩兩干涉之後,剛好會在遮蔽區相消(該暗的地方更暗),增加透光區與遮蔽區的對比,進而提高解析度。

「這兩種做法都可讓 k1 減少一半。」林本堅笑說:「可惜這兩種方法都是用 2-beam Imaging 概念,不能疊加使用。」

目前業界多半採偏軸式曝光,林本堅表示:「移相光罩一方面比較貴,另一方面不能任意設計圖案,必須考量鄰近相位不抵消的問題。」利用各種降低 k1 的技術,已將 k1 降到 0.28,「這幾乎是這些技術能達到的 k1 極限了。」

要進一步降低 k1 ,還有辦法!就是用兩個以上光罩,稱為「多圖案微影」。簡單說,將密集圖案分工給兩個以上圖案較寬鬆的光罩,輪流曝光至晶圓,可避免透光區過於接近,使圖案模糊的問題。缺點則是曝光次數加倍,等於效率降低一半。

增加 n:浸潤式微影技術

增加微影解析度之路,最後可動手腳的就是鏡頭與晶圓的介質。林本堅提出的浸潤式微影技術,將鏡頭與晶圓的介質從折射率 n~1 的空氣,改成n= 1.44 的水(對應波長為 193 奈米光),形同將波長等效縮小為 134 奈米。

浸潤式微影技術讓半導體製程 12 年內往前走了 6 代:從 45 奈米直到 7 奈米。林本堅補充,這技術優勢在「可繼續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。」

▲ 乾式微影光學系統與浸潤式微影光學系統的差異。(Source:111 年中央研究院知識饗宴

不過林本堅話鋒一轉。「我說得很輕鬆,把水放進去就好,但背後有很多技術。」如水中空氣可能讓水產生氣泡,必須完全移除。另水必須很均勻,透光區照到光的水,會比遮蔽區的水熱一點,溫差會讓水不均勻,影響成像。為了避免溫差,必須讓水快速流動混合,但又可能產生漩渦。

這很考驗機台放水的裝置,如何讓水流快速均勻又不起漩渦?這是個大學問,至今放水裝置起碼重新設計了 6~8 次。

水的另一個特點,就是「很好的清洗劑」。使用浸潤式微影技術時,水很容易把鏡頭等所有接觸物品上的雜質都洗掉,「結果就是晶圓有上千個缺陷(defects)。我們花了很多工夫把缺陷數從幾千個降到幾百個、幾十個,最後降到零。」林本堅說:「那需要投入很多人力和晶圓才能做到。」

半導體人才得是專才、通才,也是活才

演講最後,身為清華大學半導體研究學院院長的林本堅提及人才培養。半導體技術演進到非常複雜,沒有一個學生能精通所有技術層面。林本堅說:「所以你會發現,半導體需要團隊合作。」

踏入這塊領域的學生,林本堅期許除了要有基本的理工能力,還需要有好奇心,會發現新問題,也會找到有趣的新技術(活才)。「如果不能自己發現新技術,會永遠跟在別人後面」。

林本堅強調,這不是簡單的事,因「真的有學不完的東西」。半導體可分成材料、製程、設計、元件四領域,「希望學生至少精通一個領域,有本領深入鑽研(專才)。但對其他領域,也得有某種程度的認識(通才),才能彼此合作,解決問題。」

▲ 關於半導體人才培養,林本堅院士期許學生專精一個領域,並對其他領域有一定程度了解,促進團隊合作、解決問題,進而發現新技術。(Source:林本堅)

註:DOF=k3λ/sin2(θ/2),k3 是因應高 NA 值的曝光鏡頭引入之係數。

(作者:郭雅欣、簡克志;本文由 研之有物 授權轉載;首圖來源:Created by Freepik

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