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奈米時代製程與材料挑戰(3)超紫外線微影技術成為次世代曝光技術的寄託

（盧慶儒／DigiTimes.com） 2006/09/11


從各個角度來看，奈米製程所帶來的困擾還真是不簡單，不僅僅客戶與晶圓廠之間的連接問題，雙方面各自需要解決的課題也相當的複雜，除此之外，包括設備業者、材料業者、設計軟體工具業者…，也都是積極的朝向克服因為奈米製程所產生的困難，而期望提出更完善的解決之道。

　目前積體電路的量產製程中，在微影（Lithograpy）的部分，大多是採用ArF為雷射光源進行曝光顯影，所使用的ArF雷射光源波長為193奈米，這樣的波長對於微米製程來說，是沒有太大的問題，所以一直到0.13微米（130奈米）也都延續採用ArF雷射光源作為微影光源。隨著半導體晶片的電路集積度愈高，所使用光源波長需求也隨之縮短，但是接下來面對奈米製程的環境時，也就是0.1微米以下的製程，尋找出適當可用的雷射光源難度也就愈來愈高。

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　■乾式157奈米微影技術已被放棄、或者延遲導入

　對於這樣的困擾，目前半導體業界對於導入65奈米以下的製程，已經開始逐漸不考慮傳統乾式的157奈米微影技術，而改採193奈米浸潤式微影技術。所以可以感覺的出來，對於乾式157奈米微影技術，半導體業界業界的態度是基本上已放棄、或者延遲導入157奈米微影技術的時程。

　例如包括聯電和台積電都開始導入浸潤式微影技術，聯電預計在2007年下半投入45奈米製程的曝光設備中就採用了浸潤式微影設備。從2005年開始，聯電已投資新台幣逾100億元添購ASML機台，45奈米製程將以ASML第四代機種XT 1700i為主，目前也已在12A廠完成工具建置。而台積電也與荷蘭ASML共同開發浸潤式微影技術，所以浸潤式微影技術已為半導體業界公認是克服光學繞射極限，完成45奈米以下製程的重要技術。

　目前微影所使用的光源主要有ArF（波長為193奈米）、F2（波長為157奈米）及EUV（波長為13.4奈米）等。針對支援未來細微化製程所需的光源技術，目前，分別有兩大陣提出看法，也就是沿用有ArF光源，但在技術上使採取浸潤是曝光，以及波長為13.4奈米的超紫外線（EUV）微影技術。

　■波長13奈米的超紫外線光將擔重任

　根據業者的經驗，可以相信193奈米浸潤式微影技術，預計在2007年就可以成熟的導入量產應用，但是隨之而來的45奈米或者是更細微的製程發展，193奈米浸潤式微影技術將會臨技術上的瓶頸。就技術層次來看，其解決方法只有採用新的光源，而波長只有13奈米的超紫外線（EUV）光，將可擔此重任，成為新的半導體微影技術的救星。包括英特爾、康寧、東芝等等的半導體材料與製造業者，都為超紫外線（EUV）微影技術投入大量的心力進行開發。例如像英特爾與康寧便攜手合作，共同研發EUV光罩基底（mask blank），而這個研究所採用的便是康寧所開發的超低膨脹（ULE）係數玻璃，這項研究計劃，是利用鉬和矽在6平方英吋玻璃上進行40層的塗佈。

　


▲超紫外線（EUV）微影技術的光源波長原本就只有13.4奈米，所以不需要搭配OPC以及超高解析的技術。（圖片來源：ZEISS）



　光罩基底能否達到零缺陷的能力是一項大考驗，相較於目前的穿透式光罩，所採用光子透過光罩傳送到晶圓的方式，超紫外線（EUV）微影技術所採用的透鏡與光罩，是屬於反射式的光學元件。由於基底鍍膜層表面所出現的凹凸，往往會成為晶粒的致命點，因此光罩基底的缺陷率必須控制得很低。因此SEMI為32奈米製程制訂了光罩基底標準，要求50奈米及其以上的超紫外線（EUV）光罩基底必須達到零缺陷的良率水準。相形之下，目前90奈米的穿透式光罩標準則較為寬鬆，僅要求在150奈米及其以上時才必須達到零缺陷。

　英特爾預計在2009年，正式採用紫外線（EUV）微影這項技術來進行32奈米製程的量產。對於超紫外線（EUV）微影的相關技術，除了半導體晶圓業者相當關心之外，包括日本及美國設備業者也都積極的開發與克服相關的技術、困難。以日本來說，日本的EUV曝光技術的開發，從2002年9月開始，以超紫外線曝光系統技術開發機構（EUVA）為中心，進一步結合產官學共同的研究團隊，目前共有4家設備製造業者，2家曝光設備製造業者，以及3家光源製造業者，共計9家業者加入開發。

　因此，EUV微影技術成了半導體業界所積極研究的另一項微影技術，部分的設備業者以及半導體業晶圓者也相信超紫外線（EUV）微影技術，將是未來取代193奈米浸潤式微影技術的優先方案。不過，因為應用需求已經迫在眼前，EUV微影技術研發的進度仍尚未達到成熟商用量產的階段，例如，包括光罩及曝光設備的發展上都尚未成熟，使得在完全導入上還有一定的困難性，此外，也因為波長極短，對於目前的材料會造成吸收過強等諸多問題需要解決。

　所以紫外線（EUV）微影技術尚有相當多的課題需要克服，而業界大多都相信，除非在未來4年之內，超紫外線（EUV）微影技術可以獲得革命性的突破，否則仍舊必須轉向考慮開發其他的微影技術，但就長期而言，奈米轉印微影技術（Nanoimprint Lithography）才是業界所期盼的目標。

　■浸潤式ArF曝光技術面對32奈米有其困難

　與乾式傳統思考所不同的是，浸潤式ArF曝光技術是利用液體來會代替空氣，讓Geometry在晶圓上曝光。使用浸潤式ArF曝光技術，在開口數（NA）和照明上，可以達到高解像度和更深的焦點深度（depth of focus：DOF）的效果。所以如果考慮容易程度的話，浸潤式ArF曝光設備的NA值必須在1以上，才能夠獲得足夠的解析度，而另一方面對於45奈米製程的DOF，浸潤式ArF曝光技術也可以達到250奈米的要求。如果使用浸潤式ArF曝光技術，至今一直持續的0.7倍／代的微細化，相信可以在45奈米的製程中繼續應用。

　就目前成熟度方面，浸潤式ArF曝光設備有著比較快的發展性，預計在2006年就可以開始應用在32奈米的製程上面。而EUV曝光設備，目前還在持續的發展當中，在實際的應用上，還有一定的困難度。

　

▲對於超紫外線（EUV）微影的相關技術，除了半導體晶圓業者相當關心之外，包括日本及美國設備業者也都積極的開發與克服相關的技術、困難。（圖片來源：IXBT）



　但是，再接下來所面對的32奈米，或者更細微製程上，業界就開始對就出現了浸潤式ArF曝光技術懷疑的態度。雖然浸潤式ArF曝光技術可以沿用現有的ArF曝光設備，藉以減輕成本的負擔，但是因為不斷細微的製程趨勢之下，對於解析度與焦點深度值的要求也就愈嚴苛，在應用在 32奈米之後的製程，勢必採用高折射率的材料來提高開口數，這不僅在成本上，並且在技術上都是一項挑戰。所以，目前支持採用浸潤式ArF曝光技術的松下電氣、INTEL、瑞薩等等的半導體業者，在32奈米製程的量產規劃上，都開始考慮採用EUV曝光技術，而在22奈米製程，包括INTEL、松下電氣、富士通等，便考慮放棄浸潤式ArF曝光技術，而完全改採EUV曝光技術。

　因為需要採用高折射率的材料來提高開口數，雖然是浸潤式ArF曝光技術的一大門檻，但是技術觀念完全不同的超紫外線（EUV）微影技術，卻沒有這樣的困擾，因為超紫外線（EUV）微影技術的光源波長原本就只有13.4奈米，所以不需要搭配OPC以及超高解析的技術，並且在面對未來20奈米以後更細微的製程時，還有相當足夠的實力來因應。

　

▲目前半導體業界對於導入65奈米以下的製程，已經開始逐漸不考慮傳統乾式的157奈米微影技術。（圖片來源：Ferdinand-Braun-Institut）



　■超紫外線微影技術光源分析

　在超紫外線（EUV）微影技術用光源中，有兩種方式可以獲得13.5奈米的光源。第一種是在目標上利用雷射光照射，並且與以電漿化的LPP方式。（Laser Produced Plasma：雷射激勵式電漿光源）。第二種是用透過電壓產生磁場，刺激發光材料而得到13.5奈米的光源，這種方式被稱為的DPP（Discharge Produced Plasma；放電激勵型電漿光源），以目前來說，這兩種方式都有設備相關業者進行開發。

　利用LPP（雷射激勵式電漿光源）的方式，可以得到相當高品質的超紫外線，但是由於是使用YAG雷射，所以在成本上會有一些的負擔，因此，也有另外的研究單位正在研究開發利用CO2雷射作為照射光源，因為CO2雷射的成本只有YAG雷射的1/10，所以在設備結構上也能夠大幅度的降低成本壓力。而DPP方式的曝光設備，本身結構較LPP為簡單，因此在成本上也比LPP來得較低，雖說在成本上獲得了一些的優勢性，但是DPP的光源只能向前方放射，這樣的現象，可能會導致高效率的聚光效應，在電極附近出現近攝氏10萬度的雷射，而使得電極出現熔化的現象而產生灰塵，雖然知道會有這樣的情況發生，但是到目前為止，還沒有解決這問題的方法出現。

　■超紫外線微影目標材料的選擇

　截至目前的研究結果，在材料上可以採用氙、錫和鋰作為EUV光源的目標材料。利用氙作為材料的情況下，所產生亮度最高的光落在11.5奈米，而對於13.5奈米需求來說，最大的效率最也只有1％而已。在效率這方面，最受人注目的材料應該是錫，錫的最高亮度為13.5奈米，而可以獲得3％的效率。雖然1％和3％看上去差不了多少，但是考量輸入功率的話，1/3的差距就變得非常大。例如，在使用DPP方式的時候，如果輸入電力不足30kW的話，聚光點的功率就可能不到50W，這樣一來會產生熱負荷的問題，而造成因為過熱出現熔化的現象。

　雖然錫可以達到高效率的特色，但是，以錫作為材料還是有一些基本上問題。因為錫是金屬元素，當有部分錫沒有被電漿化時，會因為受到高溫的影響而附著在鏡片上，而造成鏡片的反射效率變差。因為反射效率是超紫外線（EUV）微影技術的一個關鍵，對於反射效率非常敏感，因此防止黏著和除去就成了採用錫作為材料最重要的問題了。

　■超紫外線微影光學反射系統的開發

　13.5奈米超紫外線（EUV）微影的光會在空氣中被吸收，所以只能在真空的環境中才能透射，另外，過去的曝光設備中，所使用的光學透鏡也無法達到透射13.5奈米超紫外線的能力，所以在新一代超紫外線（EUV）微影設備的光學系統中，反射光學系統的開發就變得非常重要。

　紫外線（EUV）微影設備必須使用10多枚照明光學的反射鏡片，和6枚左右的投影光學的鏡片組合而成。多層薄膜鏡片的，是由大約50∼60層的幾奈米錫／鉬多膜層薄膜所形成，採用錫／鉬的原因是，因為錫／鉬最有效率的反射光波長為13.5奈米。

　　

▲隨著半導體晶片的電路集積度愈高，所使用光源波長需求也隨之縮短。（圖片來源：日本分子科學研究所）



　理論上每一鏡片的反射率為70％，在實際使用中，一般反射率只能達到68∼69％，如果是利用雙鏡片進行反射的話，那麼反射率更會低於50％，而整個系統所使用的反射鏡片多達10幾片，那麼整體而言，紫外線（EUV）的光量只有入射光的1％以下。所以，在中間的聚光點上，能否提供115W的電力就變成相當重要的一個關鍵點。根據日本相關業者的研究發現，如果能夠充分的提供115W電力的話，那麼應用在12吋以下晶圓的量產，就能夠達到每小時100片。

　■4∼5年是紫外線微影技術的關鍵

　所以在紫外線（EUV）微影設備早期的開發階段，最受關切的問題就在於，能不能提供足夠的115W功率力。但是就今天的技術能力而言，在電力供應方面，已由初期的10W進展到目前可以達到70W左右。

　除了電力供應的問題之外，投影系統本身也是有改善的需要，因為目前開發中的紫外線（EUV）微影設備中投影光學系統一共使用16枚鏡片，有些開發業者提出了增加反射鏡片數量的可能性，因為使用數量較多的反射鏡片，可以達到修補光線差錯和歪斜的現象，在整體效能方面也可以獲得相當程度的提昇。

　雖然，想法是如此，但是對於紫外線（EUV）微影設備中所使用的反射鏡片，在生產的部分卻不是一件容易的事情，因為投影光學系統所使用的鏡片必須有超高精度的加工要求，以及高再現性鏡片干涉測量技術等等的問題。而且在投影光學系中，紫外線（EUV）會產生散亂的有機物，這些有機物會粘著在鏡片上，使得鏡子的反射率發生變化，而造成一些問題。

　雖然所有次世代的微影光源開發中，紫外線（EUV）微影設備是最受到業者的期待，但是以目前的技術能力來說，除了光源以外，還有很多方面需要發展，包括設備、光罩基底零缺陷的能力、塗佈、量測與修補等都是問題點，而這些問題就考驗著相關業者能否在短短的4∼5年之中加以克服。

　　

▲面對奈米製程的環境時，也就是0.1微米以下的製程，尋找出適當可用的雷射光源難度也就愈來愈高。（圖片來源：CMI）

posted by C.H. Chen @ 1:16 AM