衝破晶圓製造瓶頸的一滴水 藉由水的協助，讓半導體業者得以在不更動現有製造流程的情況下，製造出更小、更快的 晶片。 撰文╱斯蒂克斯（Gary Stix） 翻譯／鍾樹人 物理學家阿米西（Giovanni Battista Amici）曾在義大利佛羅倫斯的實驗室裡，把一滴 液體加在標本上方，藉此改善顯微鏡的成像品質。現在，過了165年，全球的半導體產業 才準備好要採納阿米西的創新技術。把晶片浸在淺薄的液體層中，製造出的電路線寬，可 望媲美病毒大小。 19世紀與21世紀相遇了，這種舊瓶裝新酒的辦法，恰好可做為摩爾知名論文發表40週年的 大禮。身為英特爾創始人之一的摩爾，就是在40年前，發表了半導體產業最舉足輕重的技 術論文：〈在積體電路上置入更多的元件〉。摩爾預測晶片上的電晶體數量，每隔12個月 就會倍增（之後修改為每24個月）。這項預測後來變成了鐵律，就好比一條自然法則，只 要晶片的性能無法持續每兩年達到指數成長，半導體產業似乎就會蒙受某種未明、但肯定 悲慘的傷害。 有關新一代晶片製造技術的種種計畫，陸續撞上了看似難以克服的障礙，若非水的出現， 晶片技術的進展早已跟不上摩爾定律的腳步了。2002年，晶片製造商與供應商，在發展微 影技術機台時，都未能跨越關鍵的里程碑。微影技術機是全世界最精密的照相機，可把電 路的影像投射在覆蓋於矽晶圓上的光阻劑，然後，用顯影劑移除曝光的部位，再由蝕刻藥 劑把電路刻到晶圓上，之後晶圓即可被切割成一個個晶片。 想縮小晶片上的電路，最常見的方法包括縮短光波波長，使機器能在晶圓上投射出較小的 電路。微影技術工具的製造商，在製作可投射157奈米波長機台的過程中，遇到無數困難 。要從一代微影技術升級到新一代，必須採用全新的雷射、光罩（鏤空板，可讓雷射在晶 圓上投射出電路樣式）、可縮小影像與曝光位置的透鏡，還有光阻劑。但是在157奈米之 下，儀器製造商無法以氟化鈣琢磨出合適的透鏡，要不是缺陷太多，就是像差太大，無法 在晶圓上清楚成像。IBM微電子先進微影技術開發部門資深經理龔巴（George A. Gomba） 就指出：「材料品質與製造量都面臨重大的問題。」 2002年夏天，在半導體研究聯盟（Sematech）主辦的157奈米微影技術的研討會上，這個 技術出現重大進展。全球第一大晶圓代工廠台積電的資深處長林本堅（Burn J. Lin）， 在會中發表有關浸潤式微影技術（immersion lithography）的演說。這項技術源自阿米 西的創意，早在1980年代任職於IBM時，林本堅就已經開始研究。他原訂在會中講述浸潤 原理，說明某種黏稠的機油在157奈米技術上的可能應用。不過他整個演講卻都在解釋， 為什麼微影技術在157奈米下不可行，並力主業界應該把焦點放在如何將浸潤技術運用於 193奈米機台上，也就是前一代既有的微影技術設備。 193奈米的微影技術機台早已歷經時間的考驗，晶片廠可把重點放在這個尺度的浸潤技術 上，藉以提高解析度，使193奈米機台真能勝過157奈米機台所應達到的精細度。林本堅表 示：「這種想法大概吸引了全場聽眾的注意，因此他們也就原諒我說157奈米技術的壞話 。」水對於波長193奈米的雷射光來說是透明的，但對於157奈米波長的光波來說就不是了 。水可讓微影技術機台保有較大的數字孔徑（numerical aperture），這是區別細部影像 的關鍵因素，因此可提高解析度。水也能改善焦深，也就是當光阻劑上的影像具有可接受 的清晰度時，鏡頭與影像之間的距離。先進的晶片製造過程特別注重焦深，因為晶圓表面 上最細微的不平整，都可能會破壞成像。 林本堅的演說帶來了挑戰。193奈米的浸潤式微影技術可能成為現有技術的延伸，因此或 許不必再花上10年或更久的時間，就可研發出使用不同波長光波的微影技術儀器。然而， 浸潤研究的偶然出現雖然可回溯到1980年代，但沒有人知道這項技術是否可行。潑灑在晶 圓上的水，也可能引發大災難。當機台上的晶圓以每秒50公分的速度移動時，其間形成的 微氣泡可能損及晶圓上的成像。 2002年12月，半導體研究聯盟召開研討會，100多位來自儀器與晶片製造公司以及科學界 的研究員齊聚一堂，列出他們認為浸潤式微影技術堪慮的事項。研討小組認為這項技術若 想成真，必須先克服10項基本障礙，包括：模擬水對鏡頭與光阻劑的可能傷害，並且了解 水真正的基本物理特性等。波長193奈米的光波在水中的折射率，目前只測量到小數點以 下兩位。半導體研究聯盟資深會員、同時也是這些早期會議的主持人特里布拉（Walter J. Trybula）表示：「大家都同意，我們必須得到小數點以下五位、甚至可能是六位的數 據。」折射率為光波在真空與介質（如水）中的速度比，基本上可測量出水或其他介質改 變光波前進方向的能力，也是決定數字孔徑的重要參數。 氣泡的行為是另一項未知因子，但目前已有工作小組針對這個問題展開研究。先進微影技 術的研究重鎮──美國麻省理工學院林肯實驗室，目前正在研究冷凍乾燥後的奈米級氣泡 。較大的微氣泡也可能造成傷害。林肯實驗室研究員斯威基斯（Michael Switkes）表示 ：「我們正在研究，如何讓水流過成像機台下高速移動的晶圓，而不產生氣泡。」結果顯 示，事先去除氣體的純水可能預防氣泡生成，達到技術規格的要求。 2003年7月，半導體研究聯盟再度針對浸潤式微影技術召開研討會，吸引眾多與會者前往 IBM的阿馬丹研究中心。經過六個月的模擬與實驗，10項技術障礙全部可望獲得解決。半 導體研究聯盟浸潤式微影技術策略的專案經理格倫維爾（Andrew Grenville）指出：「我 們原先擔憂的所有重大議題，到頭來都是可解決的。」研發的腳步越發加快了。2003年12 月，荷蘭微影工具製造商艾司摩爾推出浸潤式機台的原型；到了2004年底，IBM推出一批 實驗性微處理器，最小線寬已達90奈米。浸潤技術的應用，加上微影技術人員口中的「花 招」（比如改變光波的相位），使得雖然實際使用的光波波長為193奈米，但投影出的線 寬卻只有193奈米的幾分之一。IBM的龔巴表示：「基本上我們認為：『這是可接受的』。 」其他工具製造商、晶片廠與學術單位起而效尤，也紛紛展示新的產品與微影轉印技術。 浸潤式微影技術可能在2009年達到量產，屆時，積體電路上電晶體之間的距離，可能大幅 縮小到45奈米，比C型肝炎病毒的寬度還要小。 水所促成的新技術，是史上推出時間最短的新型微影技術之一。也因為水，半導體產業才 不致與摩爾定律脫節。新一代晶片的推出時間已經延遲兩年了，眾人期待已久的高畫質錄 放影行動電話也因此延宕。業界在157奈米微影技術上的投資，估計已超過20億美元，但 浸潤技術的出現，卻為它寫下終結的命運。157奈米微影技術目前已被擱置。佳能公司資 深研究員威爾（Phillip M. Ware）表示：「這個技術已經死翹翹了。」佳能與尼康、艾 司摩爾並列三大微影技術製造商。 研究人員目前也在觀望，浸潤原理是否能應用在2011年那一代的晶片上，使電晶體的間距 縮小到32奈米。想達成這個目標，必須配合新型鏡頭與化學添加劑，也就是某些人所戲稱 的色素果汁涒ool-Aid荂C這種添加劑可提高水的折射率，使機台保有較大的數字孔徑。在 今年3月的一場光學工程會議中，美國羅徹斯特理工學院的史密斯（Bruce W. Smith）與 同事提出了「固體浸潤式」微影技術，讓藍寶石鏡頭直接與光阻劑接觸。這種技術可望使 2015年的晶片，進入25奈米製程。 果真如此，全球第一大廠商英特爾所支持的技術，將在微影技術員的巧思之下遭到封殺。 英特爾原本企圖終結傳統的晶片製造流程，甚至可能終止摩爾定律。眾所周知，極紫外光 微影技術（EUV）可把13奈米波長的光波投射到一連串的多層膜面鏡上，以縮小晶圓上的 成像。在這個波長之下，透鏡無法作用，因為物質並無法透光。某些EUV技術早在「星戰 計畫」時期就已經開始了。 原本在100奈米製程中，就應當運用EUV製造晶片，但浸潤技術與其他進展，卻把EUV商業 應用的日子越推越遠。在3月那場光學工程會議當中，有兩位主題演講的講者預測，英特 爾所支持的技術將因為成本考量，以及雷射與物質所面臨的挑戰，而永無量產之日。這兩 位分別是美國史丹佛大學電機教授皮斯（R. Fabian Pease），與德州大學奧斯丁分校的 化工系暨化學系教授威爾森（C. Grant Willson）。威爾森同時創立了推動EUV替代方案 的公司，他在訪談中表示：「依我所見，EUV不可能帶來獲利。」 業界已在EUV上投資數十億美元，如果這項技術真的被放棄，命運就和X光微影技術一樣。 X光微影技術由IBM主導，採用同步加速器生成的輻射線，IBM與美國國防部高等研究計畫 署已經投下超過10億美元的資金。事實上，在電磁波譜上，EUV的波長與X光相去不遠。由 於波長略大，EUV技術原被稱為「軟X光」投射微影技術，直到「X光」開始被視為研發的 無底洞之後，才更名為EUV。 (圖文) http://www.sciam.com.tw/read/readshow.asp?FDocNo=718&CL=4 --

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