ASML
于嘉言/荷蘭維荷芬(Veldhoven)採訪報導

 晶圓生產流程中,最重要且關鍵的製程技術,莫過於微影(Lithography)。微影設備機台動輒上千萬,絕對是晶圓製造設備金額花費的前幾名。而微影技術發展從各大廠放棄157奈米乾式微影,轉由採用現今主流的浸潤式微影。儘管如此,浸潤式微影技術還是有其物理極限,因此微影設備供應商皆紛紛投資研發次世代微影技術。ASML認為,極紫外光技術(Extreme Ultraviolet , EUV)是目前唯一能在32奈米以下微影製程達成高產量的技術與機會,而其運用二次圖樣(double pattern)技術的方式,更可以在波長13.5奈米、數值孔徑0.25下,達到k1係數0.59。極紫外光技術未來更可能將波長縮短至僅10奈米,而極紫外光技術應該會在2010年後正式步入量產階段。

 ASML市場暨技術行政副總裁Martin van den Brink表示,ASML所提供的TWINSCAN系統為目前市場上佔有率極高的設備。截至目前為止,TWINSCAN已經出貨超過720台以上,僅僅亞洲就有500台以上的成績,市佔率超過60%。而浸潤式微影機台目前總出貨則超過50台以上。

 Brink表示,ASML提供各種不同波長、數值孔徑(NA)的KrF、ArF等解決方案,以提供客戶不同世代製程使用。未來,針對次世代奈米製程,ASML將提供極紫外光微影技術,該技術波長僅13.5奈米,在數值孔徑為0.45的狀況下,到2015年k1係數可達0.37。Brink表示,現今超高數值孔徑的浸潤式微影技術,半間距為45奈米,k1係數仍大於0.31,但其解析度(resolution)可到40奈米。

 浸潤式微影技術可以大幅增加晶圓產量,截至2007年4月,全球共有120萬片晶圓是由浸潤式微影技術生產出來。Brink表示,ASML獨特的雙晶圓平台(dual wafer stage)浸潤式微影設備,可縮短生產時間。不同於一般單晶圓平台(single wafer stage)設計,使用雙晶圓平台設計,即使是乾式量測(dry metrology)亦可以在晶圓上進行,而使用一般單一平台設計,並不能直接在晶圓上進行乾式量測,而只能進行部份校正工作,因此可大幅提升生產效率。總結來說,雙晶圓平台設計帶來的好處包括高精準度、提升生產力、乾式量測與曝光(exposure)過程並行、成本降低、鏡頭運利用效率最大化等等。

 「ASML在浸潤式微影技術上已經累積了四代的經驗,從2003年AT:1150i應用於90奈米製程,同時也是第一代掃瞄浸潤式微影影像的機台。後來,我們陸續推出XT:1250i、XT:1400i、XT:1700i等,最近則將陸續出貨XT:1900i。我們預期,XT:1900i未來可以持續延伸應用於40奈米以下製程。」Brink表示,「運用水為介質的浸潤式微影技術在製程上還是有其物理極限,特別是當數值孔徑到1.55時,必須採用新的液體介質、新鏡片,才能將製程延伸到32奈米以下。因此,我們改採利用降低波長到13.5奈米的方式,開創出極紫外光微影技術。」ASML認為,極紫外光是目前唯一能在32奈米以下微影製程達成高產量的技術與機會,而其運用二次圖樣技術的方式,更可以在波長13.5奈米、數值孔徑0.25下,達到k1係數0.59。Brink說,極紫外光技術未來更可能將波長縮短至僅10奈米,而極紫外光技術應該會在2010年後正式步入量產階段。ASML目前亦獲得三張極紫外光設備訂單,預計於2009年底交貨。SST-AP/Taiwan

極紫外光技術白皮書

文/ASML 摘錄整理/于嘉言

 數十年來半導體的微影製程並不比之前描述的複雜太多。但現今的製程確實是變得非常複雜。如今ASML的掃描機已被推進到技術上的極限,並且運作於物理定律的邊緣。

 但物理上的限制並不是半導體技術的唯一關鍵。還要考慮成本的問題。半導體技術的進化以及成本降低都有賴於晶片上線路的微小化。簡單來說,更細的線路可以容許在同一的空間裡放進更多的電晶體,且提高性能(電晶體的速度會隨著電晶體的縮小而增快)及增加更多的功能。或者也可以藉此來縮小晶片本身,而非用來增加晶片上的電晶體的數目。這樣就可以在同樣尺寸的晶圓上製造出更多的晶片,單一晶片的成本就會因此而降低。

 一直以來,線路尺寸不斷在縮小─這就是“摩爾定律”持續不斷降低每個功能成本背後的動力。對於微影工程師而言,要曝印出越來越小的線路就需要到用到更短波長的光線─從1960年代的白光到1970年代紫外光,再到1980年代後期的“深紫外光”,在那時候第一種使用248奈米光源的微影系統已開始出現。現在最先進的系統則是利用193奈米的光源─但是與先前的系統不同的地方,就是現在的系統需要把等同於波長三分之一的最小元件結構曝印出來。這在十年前是一件被認為不可能的事,新一代的設備在技術上也將繼續面臨這重重的挑戰。

 在每部ASML掃描機裡最先進技術機構之一就是有如木桶般大小、價值數百萬美元的鏡頭。現在唯一類似的光學技術只在間諜衛星裡才找得到。另一個具同樣關鍵性的技術就是掃描機能夠把每一層的電路與它下一層電路以接近完美的上下對準曝印出來。這稱為疊對規格的對準精確度是掃描機所能曝印最小元件結構的四分之一至三分之一。在ASML最先進的掃描機裡,這意謂著每一曝光步驟的疊對是7奈米─大概是21粒矽原子的大小─未來的需求將會更小。

 ASML的步進機及掃描機還有其它先進技術提供晶片產業在縮小設計的同時仍能維持其收益。除了先進的鏡頭技術及晶圓對準,還有ASML TWINSCANTM平台的雙晶圓平台技術。ASML在1996就著手開發TWINSCAN,並且在2000年公開發表了第一部基於這技術的曝光系統。在TWINSCAN掃描機出現前,半導體微影系統只是利用單一晶圓平台,在晶圓曝光時,下一片晶圓只能在適當的位置等待。這就表示曝光的動作不能和測量端的晶圓對準同時發生。TWINSCAN的雙晶圓平台技術容許這測量獨立地運作,一片晶圓在曝光而另外一片晶圓可以同時被測量。藉此TWINSCAN的產能大大的地提升,並且ASML掃描機的效率及成本有效性因此而增加。雙晶圓平台技術也被證實很容易地應用於最新浸潤式的光學微影,這技術是把液體放在鏡頭組件的尾端及晶圓表面之間來提高解析度。

 ASML開發它的雙晶圓平台技術及浸潤式技術是因為它的顧客們絲毫沒有顯露出要減緩微縮設計速度的跡象。換句話說摩爾定律仍然是適用的。但如果這產業要遵循這個定律且要繼續賺錢的話,它需要那些擁有可以儘快把技術從實驗室帶到生產線的能力及專門技術的夥伴們。這就是為何ASML如此致力於確保它的顧客們,在他們需要時就可以擁有它們所需要的微影技術。

籌劃下一代的微影技術
 極紫外光微影(EUV)很可能接續半導體工業近幾年使用的深紫外光(DUV)微影光學技術。雖然ASML及其它技術領導者已把傳統的影像技術延伸至前所未見的領域,晶片製造業已開始準備極紫外光微影,很多人都相信這可能是在32奈米及以下的技術節點所必需的。

 正如它在開發浸潤技術時一樣,ASML已獲得極紫外光微影開發的領先地位。 在2006年1月ASML在它位於荷蘭維多芬總部用Alpha版極紫外光微影示範工具(ADT)製成世上了第一個200奈米以下的影像。一個月後ASML在每年一次的國際光學工程協會的微細微影會議展示了以Alpha版極紫外光微影示範工具曝印的40奈米及35奈米元件結構的影像,揭露了這技術在製造32奈米的可能性。隨著在8月公司又遞交了兩部Alpha版示範工具給歐洲(比利時IMEC)及美國(紐約州Albany大學奈米科學和工程學院)的研究夥伴,這是這產業裡前所未有的,開創了極紫外光微影的里程碑。雖然這是ASML及產業界歷史性的成就,作為微影技術的領導者,早在七年多前,ASML就毫不懈怠地持續開發極紫外光微影技術。

 ASML開發極紫外光微影技術的驅動力也同樣驅使著晶片微影及整體產業:正如在此討論的,晶片的縮小化不但增加它們的性能,更能使製造更為經濟。因此在過去數十年來微影技術的重點總是在如何把越來越小的電路製作到晶圓上。多年來得做法常常就是把曝光系統的光線波長降低。降低波長是一個增加掃描機/步進機解析度或製造更小的元件結構影像最直接的辦法。

 還有其它兩個提高解析度的要素:數值孔徑(NA)及常常被簡稱為k1的製程因子。簡單地來說,數值孔徑與造像所使用光線的“亮度”有關,並且是直接被曝光系統的鏡片成分及其它光學元件影響。更高的數值孔徑就會使解析度更好,並且影像會更清楚。製程因子或k1值是一個數學的常數,與微影製程的難度是成為正比。在一個固定數值孔徑值的系統裡,那麼基本上更小的k1值就會形成更好的解析度。極紫外光微影主要的優點就是可以實現波長及數值孔徑的結合,這樣可以使k1值對達成更佳解析度的影響的重要性減少。極紫外光微影是不像當前最前端的技術,無需使用複雜的技巧來提高解析度,二階光罩及傳統的光學投射將可以再使用好幾個技術世代。

 然而單純的改變系統所使用的光線波長並不是易如反掌。每次微影製程的光線波長縮短時,不僅是需要新的光源而是全部有關的基礎設施都需要更改。新鏡片、新光罩、新光阻、甚至新光學材料─都要一一開發並且要可以量產,這些都是會提高生產費用的。這就是為什麼這產業盡可能在數個技術世代裡使用已開發的波長,典型地是三或四代,只有當處理較小元件結構的難度太高或太昂貴時才會使用新的波長。這是ASML開發浸潤技術的原動力,這起碼可以延長193奈米技術及相關的基礎設施一代也許兩代的時間。這也是為何ASML與它的客戶及夥伴們同時在開發其他可以延伸193奈米技術的方法,例如雙圖樣微影。然而ASML仍然計劃確保極紫外光微影當在延伸193奈米技術的成本效果不彰或無法解決客戶最小元件結構設計要求時可以使用。

極紫外光微影:新時代隨著新科技來臨
 從最廣義的觀點來說,極紫外光微影雖然常常被稱為下一代的技術,但因為它仍是使用光線在晶圓上製造影像,所以仍是一種光學技術。極紫外光微影系統仍然保有例如光源及光學成分等傳統步進機/掃描機的標準元件,且同樣需要與光罩一起使用在晶圓上製造電路圖形。

 除了一般的觀念外,這些也是僅有的相似點。事實上ASML的極紫外光微影技術是一個技術大飛躍的指標。浸潤系統利用傳統雷射產生193奈米波長的深紫外光曝光光源,極紫外光微影則是利用離子化的氣體或電漿所產生的光線。在離子化過程中激發光的波長非常的短,祇有13.5奈米,遠遠短過肉眼可看見的光譜。ASML的Alpha版極紫外光微影示範工具將這激發的光線,透過一連串的反射光學鏡,將光罩上的圖案投射到晶圓上。

 ASML運送到美國及歐洲的0.25數值孔徑全尺寸示範工具融合了大部份在TWINSCAN 平台驗證過的技術。ASML現在計劃使用 TWINSCAN 平台來建造未來的極紫外光微影系統,但是正如它名字的意涵,很多Alpha版示範工具的元件仍在開發中並且需要改良。ASML在開發Alpha版示範工具時遭遇到一些極紫外光微影帶來的技術性挑戰,在把技術導入生產的過程中ASML仍需繼續面對這些挑戰,不像其他所有現在仍在使用的微影生產系統,極紫外光微影架構於真空的技術上,因為全部的材料、包括空氣都吸收電漿所產生的光線。

 為了要最早把極紫外光微影系統帶來給它的客戶們,ASML不只要創造一個真空的環境,並且要把新的電漿光源最佳化、特別調整光學系統以提供最大的能量及最低的污染或對光的吸收,例如包括在光學系統裡的鏡子及反射式光罩一定要研磨到完美的地步,真空的環境也需要在無法使用保護膜的情況下來保護光罩,以便將光源的吸收減到最小。在ASML工程師面臨於這些嚴峻的挑戰時,產業裡的夥伴們正在開發極紫外光微影所需的基礎設施:電漿光源、光罩及光阻。

 ASML的Alpha版極紫外光微影示範工具的裝運是由一組分別從ASML、卡爾蔡司(Carl Zeiss)及研究夥伴荷蘭應用科學研究組織(TNO Science and Industry) 及 飛利浦應用科技 (Philips Applied Technology) 挑選出來大約250人的團隊,總共花了1,200個人工年的重大成就。密集的研究繼續在進行中,因為許多產業界的觀察者及ASML自已的客戶都相信32-nm元件的研發及量產也許在2009年時就需要用到極紫外光微影的步進機及掃描機。一如往常,ASML會確保這項微影技術的躍進會在客戶需要的時候就已準備好。SST-AP/Taiwan

圖一:2006年獲得SEMI Award的ASML市場暨技術行政副總裁Martin van den Brink

圖二:雙晶圓平台與單晶圓平台流程示意圖(資料來源:ASML)

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