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Sunday, August 21, 2005

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。

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