自光刻技術(shù)出現(xiàn)，集成電路（Integrated circuit，IC）體積跟隨著摩爾定律不斷縮小，到踏入5 納米量產(chǎn)的今日，IC 可說足足縮小了百萬倍！這成果并非一蹴可幾，而是多年來半導(dǎo)體研發(fā)人員和工程師的心血累積。近日，在研究院2022年知識饗宴科普講座上，林本堅院士以「光刻技術(shù)縮IC 百萬倍」為題，分享光刻技術(shù)一路走來，如何將半導(dǎo)體元件尺寸愈縮愈小、推向極限。

隨著集成電路（IC）與半導(dǎo)體制程進展，智能手機、平板等3C 產(chǎn)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，是因現(xiàn)在半導(dǎo)體技術(shù)把IC 愈做愈小，3C 產(chǎn)品可放入的元件數(shù)量愈來愈多，自然能做的事就更多，效率也增加了。

IC 愈做愈小的關(guān)鍵技術(shù)在于光刻技術(shù)（Optical Lithography）。光刻技術(shù)簡單來說，就是制作元件時，將元件組成材料依所需位置「印」在半導(dǎo)體晶圓上的技術(shù)。能印出愈精細的圖案，就能制作愈小的元件。

衡量元件尺寸的關(guān)鍵指標之一為「電晶體閘極長度」（Gate length），這數(shù)字與IC 速度直接相關(guān)。以場效電晶體來說，閘極長度愈小，電流就可花更少時間通過電晶體汲極和源極。

如果要表示元件微縮程度，另一個關(guān)鍵指標為線寬和周距（Pitch），通常以金屬層線與線的周距為參考基準，周距愈小，線寬也愈小，元件微縮程度愈高。

線寬與周距示意圖，周距為線寬加上線與線的間距，可表示金屬線周期性排列的尺度大小。

如今到了單位數(shù)納米世代（如7 納米或5 納米制程），這些數(shù)字逐漸演變?yōu)槭来鷺酥尽ｋm然IC 還是愈小愈好，但新世代制程可能代表運算快、密度高、價錢便宜等其他綜合優(yōu)點。

那IC 目前到底縮小多少？先有個概念，如果把每個世代視為實際尺寸，自從1980 年代有光刻技術(shù)技術(shù)以來，線寬從一開始5,000 納米降到現(xiàn)在5 納米，甚至往3 納米邁進。線寬不斷縮小，每代約縮小上一代0.7 倍，到5 納米是第21 代。經(jīng)過「代代相傳」，線寬縮小1,000 倍，換算下來，同面積能放入的元件數(shù)量高達原本100 萬倍！

光刻技術(shù)技術(shù)如魔法把線寬一步步縮小，靠的是多年來研發(fā)人員一步步努力。林本堅院士在「光刻技術(shù)縮IC 百萬倍」科普講座，細數(shù)關(guān)鍵改良點及挑戰(zhàn)。

IC 如何縮小？追求最小線寬
先從核心光學(xué)解析度公式開始：
半周距（Half Pitch）= k1λ／sinθ

半周距：一條線寬加上線與線間距后乘以0.5。曝光解析度高時，半周距可做得愈小，代表線寬愈小。

k1：系數(shù)，與制程有關(guān)，縮小半周距的關(guān)鍵，是所有半導(dǎo)體工程師致力縮小的目標。

λ：微影制程的光源波長，從一開始436 納米降到13.5 納米。

sinθ：與鏡頭聚光至成像面的角度有關(guān)，基本上由鏡頭決定。

由于光在不同介質(zhì)波長會改變，因此考慮如何增加解析度時，可將鏡頭與成像面（晶圓）的介質(zhì)（折射率n）一并納入考量，將λ 改以λ0/n 表示，λ0 是真空波長。

半周距（Half Pitch）= k1λ0／n sinθ

故增加曝光解析度（半周距↓）的努力方向為：增加sinθ、降低λ0、降低k1、增加n。

另一方面，為了讓微影制程有夠大曝光清晰范圍，鏡頭成像景深（DOF）數(shù)字愈大愈好（注），但景深變大的副作用是半周距也會跟著變大，因此制程改良必須考慮兩者平衡或相互犧牲。

增加sinθ：巨大復(fù)雜的鏡頭

sinθ 與鏡頭聚光角度有關(guān)，數(shù)值由鏡頭決定，sinθ 愈大，解析度愈高。光刻技術(shù)鏡頭不如平常相機或望遠鏡那樣簡單，而是由非常多大大小小、不同厚薄及曲率的透鏡，經(jīng)精確計算后仔細堆疊組成（下圖）。

這種鏡頭極其精密，林本堅透露：「6,000 萬美元鏡頭已不稀奇，1 億美元都有可能。」鏡頭做得復(fù)雜、巨大又昂貴，是為了盡可能將sinθ 逼近極值，也就是1。「目前鏡頭可將sinθ 值做到0.93，已非常辛苦了。」

微影機的鏡頭設(shè)計相當復(fù)雜，林本堅提到目前業(yè)界盡可能提升sinθ 值到0.93。圖中NA = n．sinθ = 0.9，空氣折射率n 約為1，故此鏡頭sinθ 為0.9。鏡頭模組實際使用時會立起來垂直地面（如下圖）。

林本堅強調(diào)微影機鏡頭模組非常巨大，重到必須出動起重機才能搬運。

縮短波長：材料與鏡頭的精準搭配

第二個方法是縮短波長。雖說改變光源就能得到不同波長，但不同波長光經(jīng)過透鏡后折射方向不同，鏡頭材料也必須改變。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，最后就只有那兩三種可以用。」

用少數(shù)幾種材枓調(diào)適光源的頻寬愈來愈難。后來大家轉(zhuǎn)而選擇單一種合適的材料，并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(xiàn)在頻寬縮窄到難以想像的程度。」

另一種解決問題的方法，是在鏡頭組成加入反射鏡，稱為反射折射式光學(xué)系統(tǒng)（Catadioptric system）。因不管什么波長的光，遇到鏡面的入射角和反射角都相等，若能以一些反射鏡面取代透鏡，就能增加對光波頻寬的容忍度。

波長193 納米光源的曝光鏡頭模組，可看到透鏡組合加入反射鏡。

后來到了13.5 納米（極紫外光，EUV）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(xué)系統(tǒng)（All reflective system），可參考下方ASML 的展示影片。林本堅表示，全反射鏡系統(tǒng)必須設(shè)計得讓光束相互避開，使鏡片不擋住光線。此外，相較透鏡穿透角度，鏡面反射角度的誤差容忍度更低，鏡面角度必須非常非常精準。以上這些都增加設(shè)計困難度。

曝光波長改變還會牽涉到曝光光阻，光阻材料從化學(xué)性質(zhì)、透光度到感光度等各項特性，都必須隨曝光波長改變調(diào)整，「這是浩大的工程，且感光速度非常重要，是節(jié)省制造成本的關(guān)鍵。」林本堅說。

值得一提的是，光阻材料的感光速度在微縮IC 歷史上相當重要。1980 年代，時任IBM 的CG Willson 和H. Iro 率先提出以化學(xué)方式放大光阻感光速度的方法，將感光速度提升10~100 倍，大幅增加曝光效率。這項重大發(fā)明，讓CG Willson 在2013 年榮獲「日本國際獎」（Japan Prize），可惜當時H. Iro 博士已過世，無法一同受獎。

降低k1：解析度增益技術(shù)（RET）

提高解析度的重頭戲就在如何降低k1。林本堅說：「你可以不買昂貴的鏡頭，也可以不選用需要很多研發(fā)工夫的新波長。只要你能用聰明才智與創(chuàng)造力，將k1 降下來。」

首先是「防震動」，就好像拍照開防手震功能，晶圓曝光時設(shè)法減少晶圓和光罩相對震動，使曝光圖形更精準，恢復(fù)因震動損失的解析度。再來是「減少無用反射」，曝光時有很多表面會產(chǎn)生不需要的反射，要設(shè)法消除。林本堅表示，改良上述兩項，k1 就能達到0.65 水準。

提高解析度還能用雙光束成像（2-beam Imaging）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(diào)整光源入射角度，讓光線斜射進入光罩，原本應(yīng)通過光罩繞射的三束光（1 階、0 階與-1 階），會去掉外側(cè)一束光（1 階或-1 階），只留下兩束光（如0 階和1 階）。透過角度調(diào)整，很巧妙讓兩道光相互干涉成像，使解析度增加并增加景深。

移相光罩則在光罩動手腳，讓穿過相鄰?fù)腹鈪^(qū)的光有180 度相位差。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?fù)腹鈪^(qū)的光兩兩干涉之后，剛好會在遮蔽區(qū)相消（該暗的地方更暗），增加透光區(qū)與遮蔽區(qū)的對比，進而提高解析度。

「這兩種做法都可讓k1 減少一半。」林本堅笑說：「可惜這兩種方法都是用2-beam Imaging 概念，不能疊加使用。」

目前業(yè)界多半采偏軸式曝光，林本堅表示：「移相光罩一方面比較貴，另一方面不能任意設(shè)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(shù)，已將k1 降到0.28，「這幾乎是這些技術(shù)能達到的k1 極限了。」

要進一步降低k1 ，還有辦法！就是用兩個以上光罩，稱為「多圖案微影」。簡單說，將密集圖案分工給兩個以上圖案較寬松的光罩，輪流曝光至晶圓，可避免透光區(qū)過于接近，使圖案模糊的問題。缺點則是曝光次數(shù)加倍，等于效率降低一半。

增加n：浸潤式微影技術(shù)

增加微影解析度之路，最后可動手腳的就是鏡頭與晶圓的介質(zhì)。林本堅提出的浸潤式微影技術(shù)，將鏡頭與晶圓的介質(zhì)從折射率n~1 的空氣，改成ｎ= 1.44 的水（對應(yīng)波長為193 納米光），形同將波長等效縮小為134 納米。

浸潤式微影技術(shù)讓半導(dǎo)體制程12 年內(nèi)往前走了6 代：從45 納米直到7 納米。林本堅補充，這技術(shù)優(yōu)勢在「可繼續(xù)使用同樣波長和光罩，只要把水放到鏡頭底部和晶圓中間就好。」

干式微影光學(xué)系統(tǒng)與浸潤式微影光學(xué)系統(tǒng)的差異

不過林本堅話鋒一轉(zhuǎn)。「我說得很輕松，把水放進去就好，但背后有很多技術(shù)。」如水中空氣可能讓水產(chǎn)生氣泡，必須完全移除。另水必須很均勻，透光區(qū)照到光的水，會比遮蔽區(qū)的水熱一點，溫差會讓水不均勻，影響成像。為了避免溫差，必須讓水快速流動混合，但又可能產(chǎn)生漩渦。

這很考驗機臺放水的裝置，如何讓水流快速均勻又不起漩渦？這是個大學(xué)問，至今放水裝置起碼重新設(shè)計了6~8 次。

水的另一個特點，就是「很好的清洗劑」。使用浸潤式微影技術(shù)時，水很容易把鏡頭等所有接觸物品上的雜質(zhì)都洗掉，「結(jié)果就是晶圓有上千個缺陷（defects）。我們花了很多工夫把缺陷數(shù)從幾千個降到幾百個、幾十個，最后降到零。」林本堅說：「那需要投入很多人力和晶圓才能做到。」

半導(dǎo)體人才得是專才、通才，也是活才

演講最后，身為清華大學(xué)半導(dǎo)體研究學(xué)院院長的林本堅提及人才培養(yǎng)。半導(dǎo)體技術(shù)演進到非常復(fù)雜，沒有一個學(xué)生能精通所有技術(shù)層面。林本堅說：「所以你會發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體需要團隊合作。」

踏入這塊領(lǐng)域的學(xué)生，林本堅期許除了要有基本的理工能力，還需要有好奇心，會發(fā)現(xiàn)新問題，也會找到有趣的新技術(shù)（活才）。「如果不能自己發(fā)現(xiàn)新技術(shù)，會永遠跟在別人后面」。

林本堅強調(diào)，這不是簡單的事，因「真的有學(xué)不完的東西」。半導(dǎo)體可分成材料、制程、設(shè)計、元件四領(lǐng)域，「希望學(xué)生至少精通一個領(lǐng)域，有本領(lǐng)深入鉆研（專才）。但對其他領(lǐng)域，也得有某種程度的認識（通才），才能彼此合作，解決問題。」



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