水把晶片變小了
小小一滴水，為何可以解決困擾半導體製造業者多年的問題？這方法是如何想出來的？
撰文 林本堅（Burn J. Lin）【作者為台灣積體電路製造股份有限公司資深處長、電機電子工程師協會院士、國際光電學會院士、JM3總編輯。】
水是很神奇的液體。在4℃以下，它會違反一般熱脹冷縮的物理性質，越冷越輕。結成冰以後就會浮在水的上面，形成保護層，減緩下方的水繼續凍結的速度，讓魚類能在尚未凍結的水底棲息。再者，因為水面上結了一層堅硬的冰，人類可以克服天然障礙，徒步跨越河川，甚至從亞洲遷徙到美洲。這些都像是經過上天精巧的設計。
水在微影技術上，也有異曲同工之妙。在空氣中，鏡頭的解析度有其極限；但是，在鏡頭和晶片間填滿水，可以把解析度提高30 ~ 44%，讓微影技術邁進二、三個世代。這就像水結冰讓人類跨越障礙，徒步渡河一樣。水的折射率在一般常用的波長，都僅比1.3稍高，只能把解析度提高至比30%多一點。很特別的是，以微影技術可用的最短波長193奈米的光當成光源，水的折射率可以進一步達到1.44，而且透明度依然很高。這跟它在4℃以下違反熱脹冷縮的物性一樣奇妙。
用音響來比喻，高解析度的光好比聲音品質高的音樂。音樂從光碟片，經過光碟機和揚聲器傳到我們的耳朵。微影術的光罩就如光碟片、鏡頭如光碟機、耳朵如晶片、耳膜如晶片上的光阻，從鏡頭到光阻的介質則如揚聲器。
普通的揚聲器就像空氣，更好的揚聲器就像水，若有一種液體折射率和透明度都比水高，就像更高級的揚聲器。浸潤式顯微鏡（把水放在顯微鏡鏡頭和樣本之間，以增加解析度的方法）已有100多年的歷史，為何浸潤式微影術現在才發生呢？
浸潤式顯微鏡的產生相對容易，只要悟出折射率增加解析度的道理，設計出浸潤式的鏡頭，再把適當的液體滴進去就成功了。而顯像的要求也相對簡單，只要把某個小範圍內的影像解析出來就可以，不太需要講究其大小和位置的準確度。然而，最先進的微影投射鏡頭加上掃描，可以涵蓋的面積是26×33毫米。用來解析32奈米的影像，這面積包含8000億的畫素，是高級數位相機畫素的10萬倍。
怪不得掃描式投射曝影機（step-and-scan projection mask aligner）的價錢是高級數位相機的三萬倍。它成像位置的準確性，必須達到面積的300兆分之一，線寬的控制必須做到面積的1000兆分之一，而且這8000億畫素只容許不到10個缺陷。加入水後，若處理不當，晶片邊沿及底面的一些附著物會被沖到表面上，形成上千上百的缺陷。水的溫度必須控制到0.01℃才能保持成像位置和線寬控制的準確度。水流若沒有設計好，會引起氣泡，影響成像的準確度。晶片上的光阻劑會慢慢滲透到水裡，漸漸污染鏡頭。水的灌進和抽出需要時間，因而減低晶片的產量。這些困難都需要一一去解決。
在2002年時，全球的半導體製造業，寄望曝影機供應商開發出157奈米波長的機器來滿足65奈米製程的需要。當時，曝影機供應商及其他周邊廠商已經投入七億多美元的研發費用，可是157奈米波長的技術仍有種種難以突破的瓶頸。有鑒於此，我在同年受邀為國際光電學會的年度半導體微影技術研討會發表相關專題演講時，舉出157奈米波長及13.4奈米線寬技術所面臨之困難以及解決方法，在場的與會者有2000多人。其中一個解決方法就是浸潤式掃描投射，因而引起相當多的討論。
當時，負責籌備157奈米研討會的領導人之一阿諾德（Bill Arnold），就邀請我接著在同年7月，到該研討會發表浸潤式掃描投射的專題演講。既然是157奈米研討會，我猜想阿諾德希望我談談如何使用157奈米的浸潤式掃描投射來取代13.4奈米的技術，因為即使157奈米有許多挑戰，卻遠比13.4奈米有希望。雖然我也有這種看法，但認為157奈米仍然不是最好的選擇。
在思考的過程，我注意到水在193奈米的折射率和透明度都很合適。經過計算，193奈米光波在水中的波長縮短為134奈米，比157奈米還短。當時，我在演講時特別指出這一點，並告訴與會的200多位專家，不要對157奈米心存幻想。193奈米加上水的浸潤，足可超越157奈米的極限。講畢，這些專家們議論紛紛，193奈米水浸潤於是成為157奈米研討會最熱門的話題。
因為當時業界為了發展157奈米的技術，已經投資了七億多美元，所以很難說服他們改變方向。猶記當時我常對已經投資的廠商說：「當機立斷， 避免繼續損失。」當然，我也提醒他們同業間的競爭劇烈。只要任何一家公司首先推出193奈米水浸潤的掃描式投射曝影機，一定會有無敵的市佔率。
果然，荷蘭艾司摩爾公司在2003年脫穎而出，首先宣佈接受此款曝影機的訂單。台積電立即訂購了世界第一台數字孔徑0.85的量產機台，該機台已於去年11月進駐台積電廠房。
究竟數字孔徑的極限是多少？若是繼續用水做浸潤液，製造1.35孔徑的鏡頭應該可行。但若要一直做到光學極限1.44不但非常困難，而且得不償失。若是我們可以找到折射率1.56的液體，就有希望把數字孔徑加高到1.48。用折射率1.66的液體，把數字孔徑加高到1.58的困難度則會倍增，因為當液體的折射率超過鏡頭材質的折射率時，鏡頭的底面無法繼續保持平坦，因而使液體的厚度不等，需要甚至比水更高的透明度。這種液體不容易研製，所以將來數字孔徑不太可能超越1.5。
用這種數字孔徑1.5的鏡頭，再配合把圖形拆成兩個來降低密度的方法，有希望能把解析度提高到20奈米的半週期（half pitch）。仔細一想這幾乎是193奈米波長的1/10。奇哉﹗
撰文 林本堅（Burn J. Lin）【作者為台灣積體電路製造股份有限公司資深處長、電機電子工程師協會院士、國際光電學會院士、JM3總編輯。】
水是很神奇的液體。在4℃以下，它會違反一般熱脹冷縮的物理性質，越冷越輕。結成冰以後就會浮在水的上面，形成保護層，減緩下方的水繼續凍結的速度，讓魚類能在尚未凍結的水底棲息。再者，因為水面上結了一層堅硬的冰，人類可以克服天然障礙，徒步跨越河川，甚至從亞洲遷徙到美洲。這些都像是經過上天精巧的設計。
水在微影技術上，也有異曲同工之妙。在空氣中，鏡頭的解析度有其極限；但是，在鏡頭和晶片間填滿水，可以把解析度提高30 ~ 44%，讓微影技術邁進二、三個世代。這就像水結冰讓人類跨越障礙，徒步渡河一樣。水的折射率在一般常用的波長，都僅比1.3稍高，只能把解析度提高至比30%多一點。很特別的是，以微影技術可用的最短波長193奈米的光當成光源，水的折射率可以進一步達到1.44，而且透明度依然很高。這跟它在4℃以下違反熱脹冷縮的物性一樣奇妙。
用音響來比喻，高解析度的光好比聲音品質高的音樂。音樂從光碟片，經過光碟機和揚聲器傳到我們的耳朵。微影術的光罩就如光碟片、鏡頭如光碟機、耳朵如晶片、耳膜如晶片上的光阻，從鏡頭到光阻的介質則如揚聲器。
普通的揚聲器就像空氣，更好的揚聲器就像水，若有一種液體折射率和透明度都比水高，就像更高級的揚聲器。浸潤式顯微鏡（把水放在顯微鏡鏡頭和樣本之間，以增加解析度的方法）已有100多年的歷史，為何浸潤式微影術現在才發生呢？
浸潤式顯微鏡的產生相對容易，只要悟出折射率增加解析度的道理，設計出浸潤式的鏡頭，再把適當的液體滴進去就成功了。而顯像的要求也相對簡單，只要把某個小範圍內的影像解析出來就可以，不太需要講究其大小和位置的準確度。然而，最先進的微影投射鏡頭加上掃描，可以涵蓋的面積是26×33毫米。用來解析32奈米的影像，這面積包含8000億的畫素，是高級數位相機畫素的10萬倍。
怪不得掃描式投射曝影機（step-and-scan projection mask aligner）的價錢是高級數位相機的三萬倍。它成像位置的準確性，必須達到面積的300兆分之一，線寬的控制必須做到面積的1000兆分之一，而且這8000億畫素只容許不到10個缺陷。加入水後，若處理不當，晶片邊沿及底面的一些附著物會被沖到表面上，形成上千上百的缺陷。水的溫度必須控制到0.01℃才能保持成像位置和線寬控制的準確度。水流若沒有設計好，會引起氣泡，影響成像的準確度。晶片上的光阻劑會慢慢滲透到水裡，漸漸污染鏡頭。水的灌進和抽出需要時間，因而減低晶片的產量。這些困難都需要一一去解決。
在2002年時，全球的半導體製造業，寄望曝影機供應商開發出157奈米波長的機器來滿足65奈米製程的需要。當時，曝影機供應商及其他周邊廠商已經投入七億多美元的研發費用，可是157奈米波長的技術仍有種種難以突破的瓶頸。有鑒於此，我在同年受邀為國際光電學會的年度半導體微影技術研討會發表相關專題演講時，舉出157奈米波長及13.4奈米線寬技術所面臨之困難以及解決方法，在場的與會者有2000多人。其中一個解決方法就是浸潤式掃描投射，因而引起相當多的討論。
當時，負責籌備157奈米研討會的領導人之一阿諾德（Bill Arnold），就邀請我接著在同年7月，到該研討會發表浸潤式掃描投射的專題演講。既然是157奈米研討會，我猜想阿諾德希望我談談如何使用157奈米的浸潤式掃描投射來取代13.4奈米的技術，因為即使157奈米有許多挑戰，卻遠比13.4奈米有希望。雖然我也有這種看法，但認為157奈米仍然不是最好的選擇。
在思考的過程，我注意到水在193奈米的折射率和透明度都很合適。經過計算，193奈米光波在水中的波長縮短為134奈米，比157奈米還短。當時，我在演講時特別指出這一點，並告訴與會的200多位專家，不要對157奈米心存幻想。193奈米加上水的浸潤，足可超越157奈米的極限。講畢，這些專家們議論紛紛，193奈米水浸潤於是成為157奈米研討會最熱門的話題。
因為當時業界為了發展157奈米的技術，已經投資了七億多美元，所以很難說服他們改變方向。猶記當時我常對已經投資的廠商說：「當機立斷， 避免繼續損失。」當然，我也提醒他們同業間的競爭劇烈。只要任何一家公司首先推出193奈米水浸潤的掃描式投射曝影機，一定會有無敵的市佔率。
果然，荷蘭艾司摩爾公司在2003年脫穎而出，首先宣佈接受此款曝影機的訂單。台積電立即訂購了世界第一台數字孔徑0.85的量產機台，該機台已於去年11月進駐台積電廠房。
究竟數字孔徑的極限是多少？若是繼續用水做浸潤液，製造1.35孔徑的鏡頭應該可行。但若要一直做到光學極限1.44不但非常困難，而且得不償失。若是我們可以找到折射率1.56的液體，就有希望把數字孔徑加高到1.48。用折射率1.66的液體，把數字孔徑加高到1.58的困難度則會倍增，因為當液體的折射率超過鏡頭材質的折射率時，鏡頭的底面無法繼續保持平坦，因而使液體的厚度不等，需要甚至比水更高的透明度。這種液體不容易研製，所以將來數字孔徑不太可能超越1.5。
用這種數字孔徑1.5的鏡頭，再配合把圖形拆成兩個來降低密度的方法，有希望能把解析度提高到20奈米的半週期（half pitch）。仔細一想這幾乎是193奈米波長的1/10。奇哉﹗
posted by BFF @ 8:58 PM
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