先进微影技术-抉择的十字路口

1、先進微影技術,抉擇的十字路口,Reporter: 陳嬿羽(Yan-Yu) Adviser: 王瑞琪教授 Date:2012.04.16,晶圓生產流程中，最重要且關鍵的製程技術，莫過於微影。微影設備 台動輒上千萬，絕對是晶圓製造設備金額花費的前幾名。而半導體製 進入20奈米世代之後，曝光機台沒有辦法解析精微的圖像,而有了現 主流的193nm浸潤式微影。儘管如此，浸潤式微影技術還是有其物理 限。因此微影設備供應商皆紛紛投資研發次世代微影技術。,四種主要下一代微影(NGL)技術: 超紫外線(Extreme Ultraviolet,EUV) 多波束無光罩(multi-beam maskless) 奈米

2、壓印(nanoimprint) 定向自組裝(directed self-assembly,DSA),超紫外線(EUV),極短紫外光(EUV)微影所使用的波長範圍為10 100奈米，與1 25奈米軟X光(Soft X-ray)微影波長部份重疊。EUV主要光源為雷射誘發電漿，產生之X-光。目前研發之重點，集中在13奈米波長。EUV相當特殊，因許多物質對13奈米波長具有極強之吸收，透射式投影成像系統不宜使用，故必須利用多層 膜式的反射鏡所構成反射式投 影系統。把13奈米波長的光波 投射到一連串的多層膜面鏡上，以縮小晶圓上的成像。,國家奈米元件實驗室,超紫外線(EUV),克服:需要更好的聚焦機制、可實

3、現更高產出的光源(以克服低於65%的光學反射率問題)，缺乏能使光罩缺陷、特殊光阻劑、設備費。 台積電已在11年購入ASML3300,預在20奈米製程節點進行該系統的測試,目前它的吞吐量每小時僅7片15片晶圓. SPIE的與會者對EUV技術前景憂心忡忡。EUV一直被認為是取代光學微影的領先技術。英特爾甚希至望在10nm技術節點使用EUV技術。EUV微影工具的發展時程仍然落後，幾位出席SPIE的專家們也對EUV仍然在處理基礎物理問題深表關切,2009年ASML年度研究成果發布會特別報導,多電子束無光罩微影(multi-beam maskless lithography),此設備採用了兩種技術，其一

4、是利用光來分別切換電子束；其二是利用MEMS透鏡陣列(lens array)來準確聚焦平行電子束。透過光學纖維fibre-optics,裝載非常大量資訊的傳輸,利用穿過超過1000到平行電子束把線路寫在矽基板上,有點像是老電視使用陰極射線成像一樣.在老電視電子束快速的移動到螢幕上,當電子接觸到塗上光激材料的螢幕上light-emitting material,影像就會呈現.,Mapper claims milestone in maskless litho,優點:能夠用於8nm節點,且不需光罩 克服:但由於它的速度太慢(目前每小時1片)、吞吐量過低,電子束之精確度與發數(shot count)

5、 荷蘭Mapper目前與台積電合作研發,宣稱已可一次發射10萬個電子束,並將在20奈米製程節點進行該系統的測試.,奈米壓印(nano-imprint),奈米壓印 (Nanoimprint Lithography; NIL)是一可快速且價格合理達到製作 100 nm 以下線寬圖形的方法，結合Roll-to-Roll 製程，奈米壓印未來有大量生產小尺度圖形的高度可能性。最早是由Stephen Y Chou 於1995 年利用奈米熱壓(Hot Embossing)聚合物PMMA 製作出小於25 nm 尺寸的結構。之後，CG Willson也提出Step and Flash Imprint Litho

6、graphy (SFIL)，將熱壓材料改為UV硬化光阻，模具則使用透明透光模具，壓印步驟可在室溫下完成,缺點:如何製作小尺度奈米等級圖案的模具、模具的材料特性、壓印材料、及可重複使用的性質。,DSA技術是將塊狀共聚合物(block copolymer)或是聚合物混合物(polymer blend)沉積在基板上，通常採用旋轉塗佈,在經以退火等處理。當以適當的預圖形模式連結時，便可直接指示圖案方向, 形成有序的結構。 DSA是圖形技術的替代選項之一，整體而言，DSA有於減少最終印刷結構的間距。此外，也能用於修復缺陷和修復原有印刷使其更加均勻，進而能被用來強化光學和超紫外光(EUV)微影。,定向自組

7、裝(directed self-assembly),定向自組裝(directed self-assembly),上圖顯示以80nm間距預圖形為基礎，運用193nm浸入式微影技術，在移除PMMA後，透過DSA在28nm間距上形成的14nm聚苯乙烯線(polystyrene lines)，並同時展示了在預圖形(右)修復200nm間隙的能力。 (資料來源：IMEC),優點:1.可以把浸潤式推到極限,並克服EUV問題 2.相容於傳統的193nm微影設備，不再需要雙重曝光步驟。 克服:缺陷密度 比利時魯汶的歐洲研究機構 IMEC日前公佈了定向自組裝(directed self-assembly, DSA

8、)製程，據稱能改善光學與超紫外光微影技術，並已在IMEC 試點晶圓廠中安裝了300mm(12吋)相容的生產線。,Momentum builds for directed self-assembly,摩爾定律已死?,45奈米，技術突破的關鍵人物，本堅,這回會怎麼面對20奈米的挑戰？,極紫外光（EUV) VS. 無光罩多重電子束,林本堅說，相較之下，EUV陣營可以參加的供應商比較多。包括：微影設備、光源、光阻劑，平坦 度及偵錯設備等。他指出，微影設備一台造價起碼要七、八千萬美元，目前EUV陣營的研發經費已經高達10幾億歐元。在光源方面，極紫外光的學問很大，投入 了許多高能量物理的專家，一個燈泡，就要幾千萬美元。 不同的光源，也要不同的光阻劑，所以，過去一加侖幾千美元的光阻劑，為了搭配EUV光源，特別開發的EUV光阻劑，可能要上萬美元。 另一個商機，在20奈米世代，光罩的平坦度，要比現在更平坦10倍以上，所以，在平坦化機台、利用EUV光源進行檢查與修理，這也給檢測設備帶來了商機。 相較於EUV技術陣營，強調不用光罩的無光罩多重電子束技術這一派，沒有光罩，光阻劑開發也不必先買昂貴的微影設備，給設備與材料商帶來的商機，似乎比較少。 但這派技術又衍生另外一個商機，因為上萬的電子束，產生巨量的資料，需要精確掌控資料的傳遞。這對電腦業發達的台灣來說又是一個商機 比較起來，無光罩多