衝破晶圓製造瓶頸的一滴水

【中時電子報獨家披露　科學人封面故事】
藉由水的協助，讓半導體業者得以在不更動現有製造流程的情況下，製造出更小、更快的晶片。

撰文　斯蒂克斯（Gary Stix）/翻譯　鍾樹人


資訊科技物理學家阿米西（Giovanni Battista Amici）曾在義大利佛羅倫斯的實驗室裡，把一滴液體加在標本上方，藉此改善顯微鏡的成像品質。現在，過了165年，全球的半導體產業才準備好要採納阿米西的創新技術。把晶片浸在淺薄的液體層中，製造出的電路線寬，可望媲美病毒大小。

19世紀與21世紀相遇了，這種舊瓶裝新酒的辦法，恰好可做為摩爾知名論文發表40週年的大禮。身為英特爾創始人之一的摩爾，就是在40年前，發表了半導體產業最舉足輕重的技術論文：〈在積體電路上置入更多的元件〉。摩爾預測晶片上的電晶體數量，每隔1 2 個月就會倍增（之後修改為每24個月）。這項預測後來變成了鐵律，就好比一條自然法則，只要晶片的性能無法持續每兩年達到指數成長，半導體產業似乎就會蒙受某種未明、但肯定悲慘的傷害。


有關新一代晶片製造技術的種種計畫，陸續撞上了看似難以克服的障礙，若非水的出現，晶片技術的進展早已跟不上摩爾定律的腳步了。2002年，晶片製造商與供應商，在發展微影技術機台時，都未能跨越關鍵的里程碑。微影技術機是全世界最精密的照相機，可把電路的影像投射在覆蓋於矽晶圓上的光阻劑，然後，用顯影劑移除曝光的部位，再由蝕刻藥劑把電路刻到晶圓上，之後晶圓即可被切割成一個個晶片。

想縮小晶片上的電路，最常見的方法包括縮短光波波長，使機器能在晶圓上投射出較小的電路。微影技術工具的製造商，在製作可投射157奈米波長機台的過程中，遇到無數困難。要從一代微影技術升級到新一代，必須採用全新的雷射、光罩（鏤空板，可讓雷射在晶圓上投射出電路樣式）、可縮小影像與曝光位置的透鏡，還有光阻劑。但是在157奈米之下，儀器製造商無法以氟化鈣琢磨出合適的透鏡，要不是缺陷太多，就是像差太大，無法在晶圓上清楚成像。IBM微電子先進微影技術開發部門資深經理龔巴（George A.G o m b a）就指出：「材料品質與製造量都面臨重大的問題。」

2002年夏天，在半導體研究聯盟（Sematech）主辦的157奈米微影技術的研討會上，這個技術出現重大進展。全球第一大晶圓代工廠台積電的資深處長林本堅（Burn J. Lin），在會中發表有關浸潤式微影技術（immersion lithography）的演說。這項技術源自阿米西的創意，早在1980年代任職於IBM時，林本堅就已經開始研究。他原訂在會中講述浸潤原理，說明某種黏稠的機油在157奈米技術上的可能應用。不過他整個演講卻都在解釋，為什麼微影技術在157奈米下不可行，並力主業界應該把焦點放在如何將浸潤技術運用於193奈米機台上，也就是前一代既有的微影技術設備。


193奈米的微影技術機台早已歷經時間的考驗，晶片廠可把重點放在這個尺度的浸潤技術上，藉以提高解析度，使193奈米機台真能勝過157奈米機台所應達到的精細度。林本堅表示：「這種想法大概吸引了全場聽眾的注意，因此他們也就原諒我說157奈米技術的壞話。」水對於波長193奈米的雷射光來說是透明的，但對於157奈米波長的光波來說就不是了。水可讓微影技術機台保有較大的數字孔徑（numerical aperture），這是區別細部影像的關鍵因素，因此可提高解析度。水也能改善焦深，也就是當光阻劑上的影像具有可接受的清晰度時，鏡頭與影像之間的距離。先進的晶片製造過程特別注重焦深，因為晶圓表面上最細微的不平整，都可能會破壞成像。

林本堅的演說帶來了挑戰。193奈米的浸潤式微影技術可能成為現有技術的延伸，因此或許不必再花上10年或更久的時間，就可研發出使用不同波長光波的微影技術儀器。然而，浸潤研究的偶然出現雖然可回溯到1980年代，但沒有人知道這項技術是否可行。潑灑在晶圓上的水，也可能引發大災難。當機台上的晶圓以每秒50公分的速度移動時，其間形成的微氣泡可能損及晶圓上的成像。


2002年12月，半導體研究聯盟召開研討會，100多位來自儀器與晶片製造公司以及科學界的研究員齊聚一堂，出他們認為浸潤式微影技術堪慮的事項。研討小組認為這項技術若想成真，必須先克服10項基本障礙，包括：模擬水對鏡頭與光阻劑的可能傷害，並且了解水真正的基本物理特性等。波長193奈米的光波在水中的折射率，目前只測量到小數點以下兩位。半導體研究聯盟資深會員、同時也是這些早期會議的主持人特里布拉（Walter J. Trybula）表示：「大家都同意，我們必須得到小數點以下五位、甚至可能是六位的數據。」折射率為光波在真空與介質（如水）中的速度比，基本上可測量出水或其他介質改變光波前進方向的能力，也是決定數字孔徑的重要參數。


氣泡的行為是另一項未知因子，但目前已有工作小組針對這個問題展開研究。先進微影技術的研究重鎮──美國麻省理工學院林肯實驗室，目前正在研究冷凍乾燥後的奈米級氣泡。較大的微氣泡也可能造成傷害。林肯實驗室研究員斯威基斯（Michael Switkes）表示：「我們正在研究，如何讓水流過成像機台下高速移動的晶圓，而不產生氣泡。」結果顯示，事先去除氣體的純水可能預防氣泡生成，達到技術規格的要求。

2003年7月，半導體研究聯盟再度針對浸潤式微影技術召開研討會，吸引眾多與會者前往I BM的阿馬丹研究中心。經過六個月的模擬與實驗，10項技術障礙全部可望獲得解決。半導體研究聯盟浸潤式微影技術策略的專案經理格倫維爾（Andrew Grenville）指出：「我們原先擔憂的所有重大議題，到頭來都是可解決的。」研發的腳步越發加快了。2003年12月，荷蘭微影工具製造商艾司摩爾推出浸潤式機台的原型；到了2004年底，IBM推出一批實驗性微處理器，最小線寬已達90奈米。浸潤技術的應用，加上微影技術人員口中的「花招」（比如改變光波的相位），使得雖然實際使用的光波波長為193奈米，但投影出的線寬卻只有193奈米的幾分之一。I BM的龔巴表示：「基本上我們認為：『這是可接受的』。」其他工具製造商、晶片廠與學術單位起而效尤，也紛紛展示新的產品與微影轉印技術。浸潤式微影技術可能在2009年達到量產，屆時，積體電路上電晶體之間的距離，可能大幅縮小到45奈米，比 C型肝炎病毒的寬度還要小。


水所促成的新技術，是史上推出時間最短的新型微影技術之一。也因為水，半導體產業才不致與摩爾定律脫節。新一代晶片的推出時間已經延遲兩年了，眾人期待已久的高畫質錄放影行動電話也因此延宕。業界在157奈米微影技術上的投資，估計已超過20億美元，但浸潤技術的出__現，卻為它寫下終結的命運。157奈米微影技術目前已被擱置。佳能公司資深研究員威爾（Phillip M. Ware）表示：「這個技術已經死翹翹了。」佳能與尼康、艾司摩爾並列三大微影技術製造商

研究人員目前也在觀望，浸潤原理是否能應用在2011年那一代的晶片上，使電晶體的間距縮小到32奈米。想達成這個目標，必須配合新型鏡頭與化學添加劑，也就是某些人所戲稱的色素果汁" Kool - Aid"。這種添加劑可提高水的折射率，使機台保有較大的數字孔徑。在今年3月的一場光學工程會議中，美國羅徹斯特理工學院的史密斯（Bruce W. Smith）與同事提出了「固體浸潤式」微影技術，讓藍寶石鏡頭直接與光阻劑接觸。這種技術可望使2015年的晶片，進入25奈米製程。


果真如此，全球第一大廠商英特爾所支持的技術，將在微影技術員的巧思之下遭到封殺。英特爾原本企圖終結傳統的晶片製造流程，甚至可能終止摩爾定律。眾所周知，極紫外光微影技術（EUV）可把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。在這個波長之下，透鏡無法作用，因為物質並無法透光。某些EUV技術早在「星戰計畫」時期就已經開始了。


原本在100奈米製程中，就應當運用EUV製造晶片，但浸潤技術與其他進展，卻把E U V商業應用的日子越推越遠。在3月那場光學工程會議當中，有兩位主題演講的講者預測，英特爾所支持的技術將因為成本考量，以及雷射與物質所面臨的挑戰，而永無量產之日。這兩位分別是美國史丹佛大學電機教授皮斯（R. Fabian Pease），與德州大學奧斯丁分校的化工系暨化學系教授威爾森（C. Grant Willson）。威爾森同時創立了推動EUV替代方案的公司，他在訪談中表示：「依我所見，EUV不可能帶來獲利。」
業界已在EUV上投資數十億美元，如果這項技術真的被放棄，命運就和X光微影技術一樣。X 光微影技術由I BM主導，採用同步加速器生成的輻射線，IBM與美國國防部高等研究計畫署已經投下超過10億美元的資金。事實上，在電磁波譜上，EUV的波長與X光相去不遠。由於波長略大，E U V技術原被稱為「軟X光」投射微影技術，直到「X光」開始被視為研發的無底洞之後，才更名為EUV。


但英特爾方面卻依然信心十足，認為當電晶體的間距小於50奈米時，就會需要EUV。英特爾的設備技術策略主任席佛曼（Peter J. Silverman）表示：「EUV可持續運用在好幾代產品上。」不過，分析師早在0.5微米製程時，就已經預言了傳統光學微影技術的滅亡。現在，浸潤技術可能延長現有技術的壽命，但EUV也許會蒙受其害。


隨著摩爾定律的前進，晶片上電晶體的間距將越來越接近絕對的物理極限，帶來新的議題：電路元件將越來越趨近單個原子的尺寸，而晶片設計師在設計電晶體時，也將漸漸失去掌控電子的能力。有關浸潤工程的問題，答案經常是最簡單的那個。只要加入水，就能使氟化氬雷射印出低於波長193奈米的1/4以下的線寬。現在還有一種新型的非浸潤式微影技術，稱為奈米轉印（nanoimprint），就好像以模子為果凍塑形一樣；這也許是可進行25奈米以下製程的微影技術。


美國國家標準與技術局的科學家伯內特（John H .Burnett），曾研究過浸潤式微影技術所用的流體與鏡頭的光學特性。他表示：「我們最後總是會反樸歸真。」所以哲學家奧坎與他的剃刀理論，也許能幫助摩爾與他的定律，讓奈米晶片承載最大數量的元件。