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... 目前大多是使用掃描機(Scanner)來進行光學曝光，但是步進機(Stepper)的 ... 上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您 ... 首頁 知識平台 先進光學曝光系統與極紫外光(EUV)就看這一篇！ 文章內容 先進光學曝光系統與極紫外光(EUV)就看這一篇！ Hightech   2016-09-21   201609210022 點閱6897 評論3 進階   ❒光學曝光機(Photolithographer) 進行黃光微影技術將光罩上的圖形轉移到矽晶圓上所使用的機台稱為「光學曝光機(Photolithographer)」，目前通常使用「投影式呈像(Projectionprinting)」與「倍縮光罩(Reticle)」，縮小比例為4：1到10：1，為了說明方便我們假設縮小比例為10：1，也就是光罩上圖形的線寬與矽晶圓上投影出來的線寬比例為10：1，透鏡組會將光罩上的圖形，假設線寬100奈米(nm)縮小十分之一，所以投影在矽晶圓上的線寬只有10nm，如＜圖一＞所示，假設光罩nm)縮小十分之一，所以投影在矽晶圓上的線寬只有10nm，如＜圖一＞所示，假設光罩上一個晶粒的光罩圖形邊長100毫米(mm)則晶粒的邊長只有10mm。

  圖一　光罩與晶粒的比例。

  為了加快曝光的速度，光罩會重覆許多同一個晶粒的光罩圖形，如＜圖一＞中光罩上的4個圖形其實是相同的，所以一次曝光就可以產生4個相同的晶粒，由於矽晶圓的面積很大(直徑8吋或12吋)，而晶粒(Die)都是大約10毫米(mm)邊長的正方形，因此一片晶圓(Wafer)上可以生產數百或數千個晶粒(Die)，每個晶粒(Die)上都有數百萬個電晶體(CMOS)，而且每一個晶粒都完全相同。

  在進行黃光微影時，是將光罩放在矽晶圓上方，並且對準矽晶圓的某一個區域，再以紫外光照射曝光形成一個晶粒；曝光完畢以後再將光罩基座左移100mm(如果光罩上有4個光罩圖形則左移200mm)，再以紫外光照射曝光形成下一個晶粒，如＜圖二＞所示，反覆這個步驟直到整個矽晶圓上佈滿邊長10mm的正方形「晶粒(Die)」為止，由於矽晶圓是圓形的，所以周圍會有一些浪費的區域，如＜圖一＞所示，最後再將這些正方形的晶粒切開，就可以得到許多完全相同的「晶片(Chip)」，再經過封裝與測試，就是一顆顆積體電路(IC)了，利用這樣的技術大量生產可以降低成本。

  圖二　投影式(Projection)光學曝光系統與光罩呈像原理。

  ❒光罩接觸方式 光學曝光機的光罩接觸方式，早期有「接觸式呈像」和「接近式呈像」兩種，但是目前都是使用投影式呈像，下面簡單說明它們的差別： ➤接觸呈像(Contactprinting)：將光罩「接觸」晶圓上的光阻，如＜圖三(a)＞所示，這樣會造成光阻附著在光罩上產生污染，光罩容易磨損必須常常更換，光罩上的線寬與晶圓上的線寬相同。

➤接近呈像(Proximityprinting)：將光罩「接近」晶圓上的光阻，距離大約10μm，如＜圖三(b)＞所示，這樣可以減少光阻附著在光罩上產生污染，光罩不容易磨損可以減少更換，光罩上的線寬與晶圓上的線寬接近。

➤投影呈像(Projectionprinting)：將光罩放在投影透鏡的上方，經由投影透鏡縮小後呈像在晶圓上的光阻，如＜圖三(c)＞所示，這樣可以減少光阻附著在光罩上產生污染，光罩不容易磨損可以減少更換，而且光罩上的線寬與晶圓上的線寬縮小比例為4：1到10：1，解析度高又可以縮小線寬，是目前常用的方式。

  圖三　光學曝光機的光罩接觸方式。

  ❒光罩曝光方式 光學曝光機的光罩曝光方式分為「步進式(Step)」和「掃描式(Scan)」兩種，各有優缺點，目前晶圓廠裡都有在使用。

➤步進式曝光機：因為圖形轉移的方式是「一步一步地(Stepbystep)」，因此又稱為「步進機(Stepper)」，如＜圖四(a)＞所示，在一個晶粒上方一次曝光完成一個晶粒，由於透鏡是圓形(黃色)，但是光罩是方形(綠色)，因此透鏡要比光罩大才能覆蓋整個光罩，而且要將紫外光雷射平均分布在比較大的透鏡上也比較困難，最後再移動光罩基座(或晶圓基座)曝光下一個晶粒。

➤掃描式曝光機：因為圖形轉移的方式是先掃描再步進，因此又稱為「掃描機(Scanner)」如＜圖四(a)＞所示，在一個晶粒上方同時移動光罩基座與晶圓基座同步掃描曝光完成一個晶粒，可以使用比較小的透鏡掃描曝光整個光罩，而且要將紫外光雷射平均分布在比較小的透鏡上也比較簡單，最後再移動光罩基座(或晶圓基座)曝光下一個晶粒。

  圖四　光學曝光機的光罩曝光方式。

  先進製程的光學系統原本就很複雜，因此透鏡愈小愈容易製作，再加上紫外光雷射平均分布在比較小的透鏡上也比較簡單，良率可以提高，因此目前大多是使用掃描機(Scanner)來進行光學曝光，但是步進機(Stepper)的產量理論上比較高，因此也有它的優點。

  ❒光學曝光機的光源 光學曝光機所使用的光源主要是產生紫外光，紫外光可以將光阻的化學鍵結變鬆散(正光阻)或變堅固(負光阻)，隨著閘極長度(製程節點)的縮小，由「次微米製程」進步到「奈米製程」，光源也不斷進步，如＜表一＞所示： ➤紫外光(UV：Ultraviolet)：光源波長400nm以下，使用「汞燈(Mercurylamp)」發出紫外光，可以產生波長436nm的紫外光(G-line)，405nm的紫外光(H-line)、365nm的紫外光(I-line)。

➤深紫外光(DUV：DeepUltraviolet)：光源波長300nm以下，使用「準分子雷射(Excimerlaser)」發出紫外光雷射，其中氟化氪(KrF)雷射產生波長248nm的紫外光雷射，氟化氬(ArF)雷射產生波長193nm的紫外光雷射，氟(F2)雷射產生波長157nm的紫外光雷射。

➤極紫外光(EUV：ExtraUltraviolet)：光源波長100nm以下，使用高密度電漿(Plasma)產生波長13.5nm的紫外光雷射。

  表一　光學曝光機的光源。

【實例】準分子雷射(Excimerlaser) 目前商業上使用最廣泛的氣體雷射是「準分子雷射(Excimerlaser)」，可以用在晶圓廠內的光罩曝光，也可以用在醫院內的醫療手術。

準分子雷射是將7A族的氟(F)、氯(Cl)與8A族的氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)混合起來的氣體雷射，以晶圓廠內最常使用的「氟化氪氣體雷射(KrF雷射)」為例，氟氣體與氪氣體被高能量的光源照射以後，氟原子與氪原子內的電子會跳躍到外層能階形成不穩定的「氟氪化合物」，這種不穩定的分子我們稱為「準分子(Excimer)」，當電子由外層能階落回內層能階，就會放射出雷射光，因此我們將這種氣體雷射稱為「準分子雷射」。

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  ❒光學系統的分辨能力 ➤解析度(Resolution)：光學系統的分辨能力，也就是可以重覆產生最小圖形的尺寸(分辨尺寸)，分辨尺寸(S)愈小解析度(R)愈高，可以產生清晰的影像。

➤數值孔徑(NA：NumericalAperture)：用來衡量光學系統能夠收集光的角度範圍，數值孔徑愈大收光能力愈強，可以收集更多的繞射光，空間解析度愈高，可以產生清晰的影像。

    分辨尺寸(S)是由光學系統常數(K1)、光源波長(λ)、數值孔徑(NA)來決定，光學系統常數(K1)愈小、光源波長(λ)愈短，數值孔徑(NA)愈大，則分辨尺寸(S)愈小，解析度(R)愈高。

  隨著閘極長度(製程節點)縮小，分辨尺寸必須愈小(解析度愈高)，主要只能使用縮短光源波長、增加數值孔徑、減小系統常數三種方法： ➤縮短光源波長：由汞燈產生波長400nm以下的紫外光(UV)，進步到由準分子雷射產生波長300nm以下的深紫外光(DUV)，再進步到波長100nm以下的極紫外光(EUV)。

➤增加數值孔徑：從早期光學系統的數值孔徑大約0.3至0.7，進步到更先進的光學微影系統數值孔徑大約0.8至1.0以上。

➤減小系統常數：光學系統常數(K1)是由系統的設計來決定，使用「相位偏移光罩(Phaseshiftmask)」或「浸潤式微影技術(Immersionlithography)」可以減小系統常數，這些減小系統常數的方法通稱為「解析度增強技術(RET：ResolutionEnhancementTechnique)」。

  ❒光學系統的聚焦深度(DoF) 聚焦深度(DoF：DepthofFocus)：當顯微鏡的焦點對準某一物體時，在焦點平面上的各點，與焦點平面上下一定深度內都能清楚分辨，這個能夠清楚分辨的深度範圍稱為「聚焦深度(DoF)」。

    聚焦深度(DoF)太大則焦點平面上下幾乎所有東西都在焦距內解析度反而變差，因此聚焦深度(DoF)愈小解析度(R)愈高，但是聚焦深度愈小，代表曝光時必須精準對焦，困難度變高不適合量產，因此聚焦深度愈大愈適合量產，兩者之間互相矛盾，所以如何妥善搭配光源波長(λ)、數值孔徑(NA)，達到分辨尺寸(S)愈小解析度(R)愈高，而聚焦深度(DoF)又不會太小，是半導體業者最大的挑戰。

  由公式中可以看出，數值孔徑(NA)愈大，分辨尺寸(S)呈一次方變小，但是聚焦深度(DoF)呈二次方變小，也就是聚焦深度(DoF)會變得太小，曝光時必須精準對焦，困難度變高不適合量產，因此實務上應該儘量縮短光源波長(λ)，而不是增加數值孔徑(NA)。

  ❒浸潤式微影技術(Immersionlithography) 目前的黃光微影技術是先使用電子束將所需圖形刻寫在石英片上形成光罩，再使用投影透鏡將光罩上的圖形縮小十分之一投影在矽晶圓上，此時投影透鏡與矽晶圓之間是空氣，科學家發現這種技術可以製作的線寬極限大約65nm，更細小的線寬則必須使用更新的技術。

  透鏡的折射率(1.5)與空氣的折射率(1)相差較大，紫外光經由透鏡與空氣之間的界面反射較大，將投影透鏡與矽晶圓泡在水裡，以水取代空氣，透鏡的折射率(1.5)與水的折射率(1.3)相差較小，紫外光經由透鏡與水之間的界面反射較小，解析度可以提高；紫外光在折射率大的水中傳播其「等效波長」會變短，如同使用更短波長的紫外光；利用水做為光學系統的介質，可以增加系統的「等效數值孔徑」，由於這三個原因使得浸潤式微影技術可以將線寬縮小到45nm，甚至有機會縮小到22nm，但是使用這種技術，投影透鏡與精密的電子設備都必須防水，矽晶圓上的光阻也不能被水溶解，使用時必須很小心不能產生氣泡，以避免紫外光被散射。

  ❒真空紫外光微影(Vacuumultravioletlithography) 深紫外光(DUV：DeepUltraviolet)發展到極限是使用氟(F2)雷射產生波長157nm的紫外光雷射，但是波長157nm的紫外光會被空氣中的水氣與氧氣吸收，因此必須把真個光學系統放在真空或氮氣淨化的環境下運作，因此科學家把波長157nm的微影技術稱為「真空紫外光微影(Vacuumultravioletlithography)」或「淨化紫外光微影(Purgedultravioletlithography)」。

  而且一般光學透鏡是使用高純度熔融玻璃作為材料，但是波長157nm的紫外光會被熔融玻璃材料吸收，因此光學透鏡必須使用氟化鈣(CaF2)晶體製作，但是氟化鈣晶體具有光學的「異向性(Anisotropy)」，也就是沿著晶體不同方向具有不同的折射率，製作時必須經過特殊處理，成本較高。

  ❒極紫外光微影(EUV：ExtremeUltravioletlithography) 極紫外光(EUV：ExtraUltraviolet)使用高密度電漿(Plasma)產生波長13.5nm的紫外光雷射，是目前製程線寬10nm以下所使用的光源，產生的方式有下列二種： ➤雷射製成電漿(LPP：LaserProducedPlasma)：對特定物質集中照射強烈的雷射光激發電漿產生極紫外光，例如：經由「液滴產生器(Dropletgenerator)」產生「鍚液滴(Tindroplet)」，使用二氧化碳(CO2)雷射兩次轟擊鍚液滴，第一次轟擊使鍚液滴變成扁平的狀態，第二次轟擊激發出電漿產生波長13.5nm的紫外光雷射，如＜圖五＞所示。

➤放電製成電漿(DPP：DischargeProducedPlasma)：特定環境內對特定物質透過電極流通巨大電流激發電漿產生極紫外光，例如：毛細管放電、雷射輔助放電、電漿焦點放電、空心陰極製成電漿等方法。

  圖五　雷射製成電漿(LPP：LaserProducedPlasma)工作原理示意圖。

資料來源：ResearchGate。

  由電漿產生的光線經聚光鏡匯合，穿過「中間焦點(IF：IntermediateFocus)」經由「照明光學系統(Illuminationoptics)」整型後照亮反射式光罩呈像，再經由「投影光學系統(Projectionoptics)」成像在矽晶圓的光阻上，如＜圖六＞所示，由於波長13.5nm的紫外光無法穿透石英，因此不能使用傳統的「穿透式光罩」，必須使用「反射式光罩」。

  圖六　極紫外光(EUV)微影系統工作原理示意圖。

資料來源：ResearchGate。

  極紫外光(EUV)微影目前比較成熟的技術是雷射製成電漿(LPP)，但是錫液滴產生器的使用壽命不長，更換需要時間，使得設備實際運轉的時間百分比只有70~85%，產出效率有待改善。

此外，極紫外光微影技術所使用的雷射光源、光學系統、光罩、光阻、曝光裝置等都與之前的曝光系統有所不同，系統複雜成本極高，目前主要供應商是艾司摩爾(ASML)，全球也只有少數晶圓廠採購使用，其中台積電(TSMC)已經採購18台EUV曝光系統，是全球擁有最多極紫外光微影設備的晶圓廠。

  ❒電子束微影(Electronbeamlithography) 使用特殊的電磁透鏡將電子束聚焦到20nm以下，直接將所需圖形刻寫在矽晶圓的光阻上，如＜圖七(a)＞所示，使用這種技術可以將積體電路(IC)的線寬縮小到20nm以下，但是電子束必須一筆一筆地刻寫才行，因此必須花費很長的時間，目前有公司在開發同時發射數十道電子束一起刻寫的技術，但是成本較高，刻寫速度仍然有待提升，此外，電子撞擊光阻以後會被光阻下方的矽晶圓散射回來，使附近不該照射到電子的光阻也被電子打到，所以線寬無法真正做到很細小。

  ❒奈米噴印成像技術(Nano-injectionlithography) 完全不使用光罩與光阻，而是將我們所需要成長的絕緣材料，以氣體原料的形式由奈米級的噴嘴射出，同時使用特殊的電磁透鏡將電子束聚焦到20nm以下，電子束將氣體原料的化學鍵結打斷產生化學反應，在矽晶圓表面直接沉積線寬極細小的結構，如＜圖三(b)＞所示。

台灣的國家奈米元件實驗室(NDL：NationalNano-deviceLaboratory)首先使用這種技術製作出線寬16nm的積體電路(IC)，是很大的技術突破，但是電子束必須一筆一筆地刻寫，因此必須花費很長的時間，而且只有某些有機絕緣材料可以使用這種技術製作，在材料的選擇上受到限制。

  圖七　電子束微影與奈米噴印成像技術原理示意圖。

　   【實例】曝光機的價格 曝光機在晶圓廠中算是較貴的機器，其中12吋0.13微米製程的曝光機的價格大約新台幣5億元，而12吋45奈米浸潤式微影技術的曝光機高達新台幣20億元，12吋5奈米極紫外光(EUV)微影系統的曝光機更高達美金1.5億元(新台幣45億元)，超過一台F22戰鬥機的價格，一座晶圓廠可能需要10台曝光機，按照這樣的算法，一座晶圓廠的投資金額高達新台幣3000億以上，應該是可以想像的。

  【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

  【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業，全華圖書公司」。

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