科普講堂 4

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非常精密且昂貴的照相機-晶圓步進曝光系統施錫龍

國家奈米元件實驗室／微影光罩組

高中化學課本常提到莫耳觀念，莫耳是化學計量的

單位，所謂 1莫耳是含有 6.02x1023個粒子。在半導體領

域中也有個摩爾定律，是 Intel 創辦人 Gordon Moore 在

1965年發表，主要預測每隔 18個月晶片上電晶體數量

成長一倍。摩爾定律推動半導體技術創新主要根基於微

影技術的進步。微影技術如同一般的照相技術，照相技

術利用太陽光 (主要為波長為 390nm到 770nm的可見

光區 )照明景物，利用照相機成像，產生照片。微影技

術使用紫外光當照明光源，利用晶圓步進曝光系統 (如

同照相機 ) 在矽晶片上產生積體電路線路。過去近幾

十年來，半導體技術的進展從利用汞燈中 436nm 波段

的 g-line紫外光及 365nm波段的 i-line紫外光以製作微

米及次微米等級線路 ; 進展到利用 KrF 氣體雷射 (波長

248nm)製作深次微米線路。製程發展到目前的 ArF氣體

雷射 (波長 193nm)的奈米製程技術，微影技術的進步使

得摩爾定律的預言實現，但隨著未來半導體技術帶動行

動運算的技術起飛，驅動著數位生活的變革。目前各類

行動運算裝置如智慧型手機、平板電腦的重要核心技術

隨著多媒體逐漸成為現代數位內容的主流，優異的圖像

顯示與圖形運算也在消費大眾的生活娛樂與商務溝通中

扮演要角，這些多是根植於半導體晶片技術進步。在物

聯網（Internet of Things）概念的蓬勃發展之下，智慧系

統的應用將充斥在未來的生活中，為人類打造更智慧的

生活模式。隨著智慧系統在數位家庭、車用電子、工業

領域的大量應用，嵌入式系統已然成為新一代明星技術

〔1〕。奈米製造技術對線寬 (Line-width)解析度的要求愈來

愈高，例如目前最先進的製程技術為 16/14nm 線路，但

是 ArF 雷射波長為 193nm，利用波長為 193nm的 紫外光

曝光產生 16/14nm線路，需要用到很複雜的鏡頭技術，

晶圓步進曝光系統鏡頭設計由 436nm(g-line)波長進展到

365nm(i-line)波長及 248nm(KrF氣體雷射 )和 193nm(ArF

氣體雷射 ) ，鏡頭設計越來越複雜及笨重， 如下圖 1. 晶圓

步進曝光系統的造價也越昂貴，最新的 ArF晶圓步進曝

光系統造價可能要達到數十億新臺幣，如下圖 2。

圖 1　 晶圓步進曝光系統鏡頭設計由 436波長 (g-line)進展到 365

波長 (i-line)波長及 248波長 (KrF氣體雷射 )和 193波長

(ArF氣體雷射 )。

圖 2　 最新的 193波長 ArF氣體雷射晶圓步進曝光系統造價可能

要達到數十億台幣〔2〕。

奈米通訊NANO COMMUNICATION 20卷 No.4

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電漿與極光

ArF (193nm) 微影已逐漸逼近它的物理極限，使得

它的技術困難度以及研發製作成本相繼倍增。波長 13.5

nm的超紫外光 (EUV)微影技術遂應運而生，將成為未來

5至 7 奈米製程技術主流，荷蘭 ASML公司已獲得超紫外

光微影技術的領先地位。美國 Intel搶先投資設備商荷蘭

ASML 公司 41億美元進行 EUV超紫外光晶圓步進曝光系

統研發，台積電也跟進砸下 14億美元投資 ASML，最後

三星電子也跟進投資 9.75億美元，可見未來 5 至 7奈米

技術相當重要。各大公司投資如此巨大資源在於研發，

可預見未來奈米半導體技術有很多技術瓶頸需要突破，

但也是商機無窮，應用無限。

超紫外光為一種近似於軟 X射線 ( Soft X-ray)的光

源，如圖 3.所示，超紫外光會被所有材料所吸收包含各

種氣體，故超紫外光必需在真空中方能存在。 如圖 3.所

示，一般使用 KrF ( 248nm) 波長紫外光曝光其光子能量

(Photon energy)為 4.9 eV，而使用 ArF ( 193nm) 波長紫外

光曝光其光子能量為 6.9 eV，但是超紫外光其光子能量為

92eV ，石英玻璃的能量間隙 (Energy Gap)為 11.7eV ，故

KrF ( 248nm)及 ArF(193nm)紫外光可以穿透石英玻璃，

可以利用石英玻璃製作穿透式透鏡，穿透式光罩及光罩

保護膜 (Pellicle)，但是超紫外光為一種近似於軟 X射線

的光源，會被空氣，石英玻璃及光罩保護膜強烈吸收，

故必需設計光阻曝光於真空中，使用反射式透鏡及反射

式光罩，由於無法使用光罩保護膜，對於量產機台的潔

淨度控制是一大挑戰。

超紫外光晶圓步進曝光系統主要利用反射鏡片及聚

光多層膜反射鏡將光罩上的圖案縮小四倍反射曝光在晶

片上，如圖 4所示，為台積電在 2011引進的 ASML超紫

外光晶圓步進曝光系統造價超過新台幣 20 億元，但是

目前還有相當多技術研發問題待設備及材料供應商進一

步改進及優化。主要包含六個多層膜反射鏡，及兩個聚

光多層反射鏡。由於光學反射鏡片會吸收大量的超紫外

光，超紫外光晶圓步進曝光系統，要得到足夠劑量以曝

光晶片上的光阻，理想的超紫外光光源將需要足夠明亮

照度。超紫外光光源的發展重點是利用雷射產生激光或

利用電漿脈衝激發超紫外光。由於多層反射鏡片負責收

集超紫外光，多層反射鏡片直接暴露在電漿中，因此容

易受到損害及表面污染，如何避免精密多層膜反射鏡

圖 3　超紫外光的光源特性〔3〕。

圖 4 台積電在 2011引進的 ASML超紫外光晶圓步進曝光系統〔4〕。

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片及光罩受到損害及表面污染為曝光系統設計的最

重要課題。多層膜反射鏡片及光罩的設計為在石英玻璃

鏡片上塗布 Mo/Si 40層多層薄膜以反射超紫外光 (波長

13.5 nm)。

超紫外光微影技術目前面臨許多技術障礙例如 :光

源可靠度與強度、阻劑線緣粗糙度、近接效應與光罩修

補與檢驗等問題，連帶摩爾定律的推動也面臨考驗。不

過由於眾多參與廠商及大量資金投入，相信不久之後會

逐一解決問題，然而超紫外光微影所需的光罩費用卻高

的驚人，一套超紫外光光罩的成本高達上億元台幣，這

將會使得規模不夠大的晶片設計廠商無法進入未來 10奈

米以下的時代。

參考資料

[1] 電子月刊 2010, 3月號

[2] ASML website.

[3] Proceedings of SPIE Lithography Asia- Taiwan, Volume

7140 Nov.2008

[4] 2013 Semicon Taiwan「微影/光罩技術論壇」- 剖析10

奈米以下節點解決方案掌握微影/光罩技術發展脈動