微影技术持续精进 半导体工业延续飞跃性成长

    半导体工业在光学微影技术的帮助下，长期形成持续且快速的成长态势，但光学微影在面对更精密的制程已开始出现应用瓶颈，尤其在小于0.1微米或更精密的制程，必须使用先进光学微影或非光学微影术予以克服…

    早期半导体工业在光学微影技术(Optical Lithography)支持下，不仅可以持续改善集成电路的元件特性，单一元件的集积度大幅提升，不仅使制造成本压低，也让产品的性能持续提升，但光学微影技术毕竟有其使用限制，尤其在面对更微小的线路制程需求时，就会有其使用瓶颈与限制产生，这时非光学微影术逐渐受到重视，甚至成为半导体未来跳跃性发展的关键性技术。

    微影术为半导体产业发展基础

    微影术(Lithography)可以说是半导体产业的基础，集成电路、半导体之所以得以快速发展，芯片功能越来越多、单价却越来越便宜，说是归功于微影术的帮助可以说是一点都不为过，尤其是芯片的复杂规模已经自LSI(large-scale integrated circuit，单一元件内达到1,000个以内的逻辑闸)，扩展至VLSI(very large-scale integrated circuit，单一元件内达到1万个以内的逻辑闸)，甚至达到集积100万个逻辑闸的ULSI(ultra large scale integrated circuit，单一元件内达10万个以内的逻辑闸)的集积度水平，而在面对越来越多逻辑闸的集成需求，原有的制程技术已经受到极大挑战。

    集成电路IC制程的关键技术，即微影技术，也是半导体制作流程中最关键的核心技术，以存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)集成电路元件为例，分析每个世代的DRAM产品大约仅能因应市场需求约2至3年，而每个晶粒(Die)的尺寸越小，代表著单一晶圆可以容纳的芯片(Die)数越多，为持续保有市场竞争力，DRAM产业的Die单位面积则是以每年以25%~30%尺寸缩减速度进行，不仅芯片的体积逐年递减，单位晶圆可以切割的芯片数也正持续增加。

    从实际的产品检视发现，DRAM自256K进步到1M DRAM，光是设计规则就能缩小0.6~0.7倍水平，而这个进展趋势随著容量增加微缩体积比例也越来越大，但微缩比例也在64M、256M DRAM逐步出现微缩比例趋缓现象。

    集成电路持续挑战硅晶物理极限

    而终端元器件单位体积持续趋近物理极限后，芯片业者为了持续保有成本优势，随即往单片晶圆的面积扩大方面着手，透过单片晶圆面积上的扩展，保有单批产量在Die数量上的成长极限。但利用单晶圆尺寸的扩张，也顶多仅能治标而无法治本，为了保有半导体产业持续成长的动力，半导体业者被迫需要投入更多资源，进行加速或升级现有微影技术的制作方案。

    在不同微影技术方中，其中光学微影术是最重要的项目，因为光学微影术的成本效益佳，也最适合集成于半导体的量产加工应用需求，光学微影术制程与设备相关进阶改良也持续进行，即使在其它新颖制程正积极被开发、集成下，先进光学微影技术仍会在半导体业界中维持其关键地位。目前光学微影在因应0.18微米制程需求仍算游刃有余，但若再持续微缩化发展，光学微影技术也会有其应用极限。

    光学微影会跃升为半导体制程主流的原因在于，光学微影可应用于大量生产、制造，且有速度快、分辨率佳、成本低廉等优势，是其它微影或进阶微影制程所难以望其项背的。但在持续往高分辨率、高集积度的制造需求移动时，则必须考量其它非光学微影术才能达到的超高分辨率表现，例如电子束微影术(E-beam lithography system)、X光微影术(X-ray lithography system；XRL)、离子投影术(Ion Beam Projection lithography system；IPL)，与极短紫外光微影术(EUV lithography system)等。

    电子束曝光技术

    电子束曝光技术可处理小于0.1微米分辨率的制作需求，早期受限于设备较昂贵、产量低等问题，使得电子束微影术无法如同光学步进机这样进行集成电路芯片的大量生产。

    电子束微影术通常被用在开发新世代产品用途，而电子束曝光技术不需光罩、可节省光罩成本优势，在0.18、0.15微米以下制程有其使用效益。此外，电子束曝光技术相较深紫外光微影术使用的相位转移光罩(phase shift mask；PSM)与光学近接效应的修正型光罩(Optical proximity correction；OPC)，有制作困难度低、成本相对低廉等优势，电子束微影术已成为半导体制程进化的重要选项之一。

    但电子束曝光术仍有生产速度较慢的问题，目前电子束曝光术较广泛使用在新颖的研发元件生产应用上，例如针对Gate及contact hole的曝光处理等，未来若要真正在大量生产时导入电子束曝光术，则需要在产速上进行更大的技术突破。

    X光微影技术

    X光微影技术则不同于一般微影技术，X光微影技术使用光源为波长较短的微影处理，实际为应用近接式(proximity) 1:1曝光形式进行处理，尤其是同步辐射之X光在光学特性上为几乎平行、无聚焦景深与分辨率问题。

    X光微影的投射光源均为自同步辐射光源引出，搭配多层光学反射镜与光学滤镜处理得到其特殊波长，但一般光罩并无法有效地让X光穿透，X光使用的光罩为由特殊材质作为光罩基板与重金属作为X光吸收剂，搭配X光步进机控制搭配光罩的图形进行一比一形式将线路移转至硅芯片之上。而由于X光微影术为使用近接式曝光，曝光分辨率由光之波长、光罩与硅芯片间之Gap决定，为达到0.13微米或更高的分辨率能力，难度也因此大增。

    X光微影术较大的问题是，无法以缩小投影型式进行曝光，而生产光罩即须要搭配极高精确度的处理，甚至光罩生产过程需要以高于晶圆曝光过程更高的精确度，透过生产高质量光罩搭配X光微影术才能发挥进阶制造效益。目前因为搭配使用的光罩技术仍有相当多瓶颈须克服，即便如此，半导体产业仍对X光微影术寄予厚望。

    离子投影术

    离子投影术为欧洲重点研究的集成电路制程方法，为利用离子束进行投影式微影处理，制作过程中需搭配Stencil Mask遮挡不需离子束照射的部份，但由于离子入射会因Stencil Mask鼓膜材质产生严重的散射现象，导致其制作分辨率降低，不过近年来已针对分辨率提升发展通道式Stencil Mask，使其射入之离子降低散射角度。

    但离子投影制程也颇多问题尚待解决，例如，Stencil Mask本身产生的热效应须在制造过程搭配冷却循环装置，形成系统趋于复杂；而离子投影术每次曝光的面积很大，在生产时有速度快、产能高优势，只适合大量生产。

    EUVL极短紫外光微影术

    EUVL极短紫外光微影术为运用雷射通入Xe气体所产生的光线，光的波长约为13nm，制程曝光需在真空下进行，系统镜片均为反射式镜片，所搭配的光罩与传统应用的光学光罩并不同，光罩表面需要相对高度平坦。

    紫外光微影术较大难题是需搭配defect-free、高度平坦程度的光罩基底(Mask Blank)，并搭配可检测、修补光罩的设备偕同运行进行制程。因应半导体产业所需的高精度制程与持续维持30%的成本优化，EUVL极短紫外光微影术可有效减少多重曝光步骤，自然可以降低晶圆的加工成本，即便设备单价高昂，仍旧吸引半导体厂积极投入设备投资与持续关注相关技术进展。