〈研之有物〉IC縮小術！林本堅院士談光學微影如何把IC愈變愈小
「拍出」積體電路的奈米級成像技術：光學微影
自光學微影技術出現以來，積體電路（Integrated circuit, IC）的體積跟隨著摩爾定律不斷縮小，到我們踏入 5 奈米量產世代的今日，IC 可以說足足縮小了百萬倍！這樣的成果並非一蹴可幾，而是多年來半導體研發人員和工程師的心血累積而成。中央研究院 111 年知識饗宴的科普講座中，林本堅院士以「光學微影縮 IC 百萬倍」為題目，分享了光學微影這一路走來，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。
資料來源│中央研究院
隨著積體電路（IC）與半導體製程的進展，我們的手機、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，是因為現在的半導體技術把 IC 愈做愈小了，在 3C 產品中可以放入的元件數量愈來愈多，自然能做的事情更多了，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，就是在製作元件的過程中，將元件的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，就能製作出愈小的元件。
如果讀者好奇手機或電腦的 IC 晶片是怎麼做出來的？請參考以下蔡司公司製作的影片，解釋了晶片從原料到封裝的整個過程，影片中的曝光（exposure）步驟，就是我們這篇文章要介紹的主題。
衡量元件尺寸的關鍵指標之一為「電晶體閘極長度」（Gate length），這個數字與 IC 速度直接相關。以場效電晶體來說，閘極長度愈小，電流可以花更少時間通過電晶體的汲極和源極。
如果要表示元件微縮的程度，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，週距做得愈小，線寬也愈小，元件微縮程度愈高，見以下示意圖。
如今，到了單位數奈米的世代（例如 7 奈米或 5 奈米製程），這些數字已經逐漸演變為僅是世代的號誌。雖然 IC 還是愈小愈好，但是新世代製程工藝可能代表運算快、密度高、價錢便宜等其他綜合優點。
那 IC 目前到底縮小了多少呢？我們可以先有個概念，如果把每個世代視為實際尺寸來看，自從 1980 年代有光學微影技術以來，線寬從一開始的 5,000 奈米，如今已降到 5 奈米、甚至往 3 奈米邁進了。線寬不斷往下縮小，每一代大約縮小為上一代的 0.7 倍，到 5 奈米已經是第 21 代。經過了這樣的「代代相傳」，線寬縮小了 1,000 倍，換算下來，同一面積所能放入的元件數量高達原本的 100 萬倍！
光學微影技術如魔法般把線寬一步步縮小，靠的是多年來研發人員一步步的努力。林本堅院士在「光學微影縮 IC 百萬倍」這場科普講座中，一一細數其中的關鍵改良，以及箇中挑戰。
IC 如何縮小？追求最小線寬
讓我們先從一個核心的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的間距後乘以 1/2。曝光解析度高時，半週距可以做得愈小，意味著線寬可以愈小。
k1：一個係數，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：微影製程中使用的光源波長，從一開始的 436 奈米，現已降到 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。
由於光在不同介質中，波長會有所改變，因此我們在考慮如何增加解析度時，可將鏡頭與成像面（晶圓）之間的介質（折射率 n）一併納入考量，將 λ 改以 λ0/n 表示，λ0 是真空中的波長。
半週距（Half Pitch）= k1λ0／n sinθ
因此，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，為了讓微影製程有足夠大的曝光清晰範圍，鏡頭成像的景深（DOF）數字愈大愈好（註 1），但是景深變大的副作用是——半週距也會跟著變大，因此在製程改良上必須考慮兩者的平衡或相互犧牲。
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。光學微影所使用的鏡頭，並不如我們平常使用的相機或望遠鏡那般簡單——而是由非常多大大小小、不同厚薄及曲率的透鏡，經過精確計算後，仔細堆疊組成的（如下圖）。
這樣極其精密的鏡頭，林本堅透露：「6,000 萬美金的鏡頭已經不值得驚奇了，一億美金都有可能。」鏡頭做得這樣複雜、巨大又昂貴，是為了盡可能將 sinθ 逼近它的極值，也就是 1，他接著說：「目前的鏡頭可將 sinθ 值做到 0.93，這已經是非常辛苦了。」
縮短波長：材料與鏡頭的精準搭配
第二個方法是縮短波長。雖說改變使用的光源，就能得到不同的波長，但因為不同波長的光經過透鏡後的折射方向不同，因此鏡頭的材料也必須相應改變。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。」
用少數幾種材枓來調適光源的頻寬愈來愈難。所以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，現在把頻寬縮窄到難以想像的程度。」
另一種解決問題的方法，則是在鏡頭的組成中加入反射鏡，這樣的鏡頭組合稱為反射折射式光學系統（Catadioptric system）。因為不管是什麼波長的光，遇到鏡面的入射角和反射角都是相等的，因此若能以一些反射鏡面取代透鏡，就可以增加對光波頻寬的容忍度。
後來到了 13.5 奈米（極紫外光，EUV）的波長時，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），可參考以下 ASML 公司的展示影片。林本堅表示，這種全反射鏡的系統，必須設計得讓光束相互避開，使鏡片不擋住光線。此外，相較於透鏡穿透的角度，鏡面反射的角度對誤差的容忍度更低，鏡面角度必須非常非常精準。以上這些都增加了設計的困難度。
曝光波長的改變還會牽涉到底下的曝光光阻，光阻材料從化學性質、透光度到感光度等各項特性，都必須隨著曝光波長的改變而調整，「這是個浩大的工程。其中感光速度非常重要，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 的歷史中相當重要。1980 年代，時任 IBM 的 C.G. Willson 和 H. Iro 率先提出一種以化學方式放大光阻感光速度的方法，將感光速度提升了 10~100 倍，大幅增加了曝光效率。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 博士已故，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於如何降低 k1。林本堅說：「你可以不用買昂貴的鏡頭，也可以不選用需要很多研發功夫的新波長。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一樣，在晶圓曝光時設法減少晶圓和光罩相對的震動，使曝光圖形更加精準，恢復因震動損失的解析度。再來是「減少無用反射」，在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，改良上述這兩項， k1 就可以達到 0.65 的水準。
提高解析度還可以使用雙光束成像（2-beam Imaging）的方法，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），會去掉外側的一束光（1 階或 -1 階），只留下其中兩束光（例如 0 階和 1 階）。透過角度的調整，可以很巧妙地讓這兩道光相互干涉來成像，使解析度增加並增加景深。
移相光罩則是在光罩上動些手腳，讓穿過相鄰透光區的光，有 180 度的相位差。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。
「這兩種做法都可以讓 k1 減少一半。」林本堅笑說：「可惜這兩種方法都是用 2-beam Imaging 的概念，不能疊加起來使用。」
目前業界多半多半使用偏軸式曝光，林本堅表示：「移相光罩一方面比較貴，另一方面，它不能任意設計圖案，必須考量鄰近相位不抵消的問題。」利用各種降低 k1 的技術，目前已將 k1 降到 0.28，「這幾乎是這些技術所能做到的 k1 極限了。」
要進一步降低 k1 ，還有辦法！就是用兩個以上的光罩，稱為「多圖案微影」。簡單來說，它將密集的圖案分工給兩個以上圖案較寬鬆的光罩，輪流曝光在晶圓上，這樣可以避免透光區過於接近，使圖案模糊的問題。缺點則是因為曝光次數加倍，等於效率降低了一半。
增加 n：浸潤式微影技術
在增加微影解析度的路上，最後一個可以動手腳的就是鏡頭與晶圓之間的介質。由林本堅提出的浸潤式微影技術中，將鏡頭與晶圓之間的介質從折射率 n～1 的空氣，改成ｎ= 1.44 的水（對應波長為 193 奈米的光），形同將波長等效縮小為 134 奈米。
浸潤式微影技術讓半導體工藝在 12 年內往前走了 6 代——從 45 奈米直到 7 奈米。林本堅補充說，這個技術的優勢在於「你可以繼續使用同樣的波長和光罩，只要把水放到鏡頭底部和晶圓之間就好。」
不過，林本堅話鋒一轉。「我說得很輕鬆，把水放進去就好。但這背後其實有很多技術。」例如水中的空氣可能讓水產生氣泡，必須完全移除。另外，放進去的水必須很均勻，在透光區照到光的水，會變得比遮蔽區的水要熱一些，這個溫差就會讓水變得不均勻，影響成像。為了避免溫差，必須讓水快速流動混合，但又可能會產生漩渦。
「這很考驗我們機台放水的裝置，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六到八次。」
水的另一個特點，就是「它是很好的清洗劑。」林本堅說。在使用浸潤式微影技術時，水很容易把鏡頭等所有接觸到的東西上的雜質都洗下來，「結果就是晶圓上有上千個缺陷（defects）。我們花了很多功夫把缺陷的數量從幾千個，降到幾百個、幾十個，最後降到零。」林本堅說：「那是需要投入很多人力和晶圓才能完成。」
半導體人才，要是專才、通才，也是活才
演講的最後，身為清華大學半導體研究學院院長的林本堅提及人才的培養。半導體的技術已經演進到非常複雜的程度，沒有一個學生能精通所有的技術層面。林本堅說：「所以你會發現，半導體需要團隊互助合作。」
而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外，還需要有對問題的好奇心，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的技術，會永遠跟在別人後面。」
林本堅強調，這不是簡單的事情，因為「真的有學不完的東西。」半導體可以分成材料、製程、設計、元件四個領域，「我們希望學生至少在一個領域很精通，有本領深入鑽研（專才）。但對其它的領域，也得有某種程度的認識（通才），才能彼此合作，解決問題。」
註 1：DOF＝k3λ/sin2(θ/2)，k3 是因應高 NA 值的曝光鏡頭所引入之係數。
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延伸閱讀：
- 111 年知識饗宴——蔡元培院長科普講座「光學微影縮 IC 百萬倍」
- 張顏暉（2021）。〈半導體元件的發展與運用 - 做晶片到底有多難?〉，《科技大觀園》。
- 詹益仁（2020）。〈摩爾定律的華麗謝幕：EUV 微影機〉，《DIGITIMES》。
- 郭雅欣（2020）。〈微影製程再進化！複雜電路的祕密〉，《科技大觀園》。
- 林本堅（2019）。〈推進微影技術二十代〉，《科技大觀園》。
- 劉俊宏、余浩澐、蔡坤諭（2013）。〈讓摩爾定律成真的關鍵：微影技術——影響七十億以上個未來〉，臺大電機系科普新知。
- 黎瑛蕊（2013）。〈林本堅以浸潤式微影技術開創產業未來〉，《工業技術與資訊月刊》。
- Lin, B. J. (2019) “Innovating from History“, Proc. SPIE 10584, Novel Patterning Technologies 2018, 1058402.
- Pease, R. F., & Chou, S. Y. (2008). “Lithography and Other Patterning Techniques for Future Electronics“. Proceedings of the IEEE, 96(2), 248-270.
- Ulrich, W., Rostalski, H., & Hudyma, R. (2004). “Development of dioptric projection lenses for deep ultraviolet lithography at Carl Zeiss”. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 3(1).
- Lin, B. J. (2000). “New λ/NA scaling equations for resolution and depth-of-focus“, Proc. SPIE 4000, Optical Microlithography XIII.
- Nikon | Semiconductor Lithography Systems | Semiconductor Technology
- ASML EUV lithography systems
- Chip technology earns Japan Prize. IBM Research Blog.
