EUV黃光微影技術介紹

什麼是黃光微影技術 Litography  

隨著電子產品的功能越來越強,也迫使半導體產業線寬要越做越小到奈米級的寬度,晶片每單位面積裡可以塞進的電晶體數量越多功能越強,這其中微影技術所要求能達到的線寬成為能否達到做出奈米晶片的重要技術障礙。製造64百萬位元(64 Megabit)動態隨機存取記憶體(DRAM)的設計準則(Design Rules)最小線幅寬度約為0.35微米;256百萬位元約為0.25微米;10億位元(1 Gigabit)約為0.18微米;40億位元(4 Gigabit)約為0.15至0.13微米。

而黃光微影技術(Lithography)在半導體製程上是一項微縮化的關鍵技術,沒有了這個技術,半導體的摩爾定律將不復存在,這個技術簡單的說就是希望將設計好的晶片電子線路圖形,完整且精確地複製到晶圓上進而使用蝕刻、擴散等等技術將電晶體及線路精確的製造出來。半導體工廠首先需將設計好的圖形製作成光罩(photo mask),應用光學成像的原理,將電子線路圖形投影至已經均勻塗佈好光阻的晶圓上,光阻經由光線的照射產生光化學反應,就可以將圖形精確地複製在晶圓上,再來去除未反應的光阻,此時晶圓上就有了一個被保護的區塊與空曠區塊,接下來看是要蝕刻去除矽材料或者是擴散金屬離子使之成半導體狀態,或者濺鍍一層鋁或銅讓它成金屬通路等等於是就可以成為一個完整的IC晶片了。

EUV-波長13.5nm的極紫外線光

由曝光源發出的光,只有經過光罩上線路為透明區域的部分可以繼續通過透鏡,而將設計好的電路圖形呈像在晶圓表面上,讓它可以進行擴散、蝕刻等後續製程僅而產生出積體電路(IC)。半導體產業一般來說,單位面積裏IC的密度越高,它的運算速度會越快、用電量會更省,其每顆晶片平均成本也會變低,因此半導體廠商無不絞盡腦汁要將半導體的線寬縮小化,以便在晶圓上塞入更多電晶體讓成本更低,效率更高。然而,黃光微影技術所能製作的最小線寬與光源的波長成正比,因此,為了要得到更小的線寬,半導體黃光製程不得不改採波長更短的光源來做曝光。微影設備開發商為製作更為細小的線寬結構,在過去幾十年已從波長365nm的UV光進展到波長248nm及193nm的DUV光源,而波長13.5nm的極紫外線光源簡稱 EUV 則為下一階段唯一的應用光源,根據估計現行的ArF 193nm光源最大的物理極限是10nm的線寬,若是進展到7nm以下則非EUV極紫外線光源不可。

什麼是光罩傳送盒RSP(Reticle SMIF Pod)?

光罩傳送盒RSP(Reticle SMIF Pod)是依據隔離進出料標準機械介面技術(Standard Mechanical Interface)所設計開發出用來自動傳送光罩的一個密封容器,光罩傳送盒在半導體黃光製程中主要的功用是,透過工廠自動化搬運設備移動、保護、儲存光罩之用,當傳送移動RSP時,其上下蓋完全密合以保持POD內部高度潔淨,當光罩要使用時則將光罩傳送盒RSP放入黃光曝光機台(stepper)的Load Port上,打開POD底座下降至機台手臂可以取得的高度取出光罩到曝光機台內進行曝光作業,由於此時POD的上蓋仍然蓋住整個Load Port上不讓機台內的微環境跟外面互通,這使得光罩並不會與外界較髒的無塵室空氣接觸,因而晶圓廠可以大幅減少高潔淨度無塵室設置與營運費用。由此可知光罩傳送盒RSP是一項非常重要的黃光微影技術產品,它對光罩的保護、儲存與運輸發揮著重要的功用。

而SMIF Pod有分成RSP150及RSP200兩種開合介面系列,EUV Pod的界面就只有單一RSP 200的相容界面,三種TYPE相同的地方皆為是一個特殊的可上下自動打開的密封盒子狀載具,它是被設計用來保持光罩穩固及安全的放置在載具內部,而內部的環境潔淨度被精確的控制,光罩要使用時,經由機器全自動化的搬運傳載(AMHS),讓它可以自由地在儲存貨架(Stocker)與黃光曝光機台(stepper)之間流暢的傳送與移動,而它本身裝有RFID感應器可以隨時讓工廠的MES系統追蹤與定位光罩是否在正確的機台 RUN正確的生產製程。

從1980年代起,有機隔離保護薄膜( Pellicle)一直是主要的光罩圖形免於受微塵(Particle)汙染具防護機制的產品,半導體業界將此有機保護薄膜稱之為光罩護膜(Pellicle),這樣的薄膜保護設計可有效地將外來汙染粒子隔絕於成像平面之外,其原理像是眼睛戴上了安全護目鏡,即使灰塵遍佈在鏡片玻璃上也不至於干擾眼睛的觀看,試想想看如果在沙漠的沙塵暴中讓沙直接吹進眼睛中是不是會嚴重的干擾正常的觀看?

Pellicel也因此被大幅應用於436nm(G-line)、365nm(I-line)、248nm及193nm等波長的黃光微影製程技術上,而且已經發展出非常成熟的產業規模。但是對目前新一代發展中的EUV微影技術,並沒有找到適當的有機薄膜材料可避免如此低波長(13.5nm)的光源不會被材料物質吸收與隔絕掉,因為找不到可以不阻絕光源的透明材料,使得這個已經運用多年的防護技術不能再延續下去,現在的做法只得讓EUV光罩暴露在一般微環境中。但是有研究指出,若光罩不受Pellicle保護,在光罩的有效生命周期(Life Time)內將招致成千上萬顆的外來汙染粒子汙染光罩Pattern表面,這會使得生產的良率大幅度降低。

經歷EUV研究人員數十年來的研究發展,半導體業者普遍傾向採用一種含內、外盒雙層結構的光罩保護設計。該EUV POD光罩保護盒之內、外盒之設計目的在於將光罩放置於內保護盒內,而EUV光罩採Pattern Side向下的方向放置,利用內保護盒設計(Inner POD)取代有機保護薄膜之功能。因此,本質上該內保護盒即可視為一可移除式之硬式Pellicle,而該內保護盒設計除了在EUV黃光曝光機台工作時會在其真空腔體內打開取出作曝光製程之外,它全部的時間都與光罩一併放置在EUV POD內儲存以降低微塵帶來的困擾。而這個內保護盒(Inner POD)整體是跟一台造價高達1億美金的EUV微影步進機(EUV Scanner)內部光罩存取機構要相互匹配的結構與設計機制,所以它必須要符合通過全球EUV微影步進機唯一的製造商 ASML的認證,而現在全球通過認證的廠商只有兩家,家登精密是台灣唯一的一家。展望未來,每生產出一片EUV光罩就需要一個EUV POD來保護、運送、儲存,這是一個未來10奈米以下製程有著巨大貢獻的產品,因此相關技術的重要性是無可言喻的。

EUV技術的未來?

為加速發展EUV 微影技術,荷商ASML 於2012年7月甫邀請三大客戶–英特爾(Intel)、三星電子(Samsung Electronics)與台積電,共同投資入股ASML為能籌集足夠的EUV技術研發資金來持續發展;上述三家業者為了可以取得更先進的技術與設備以期能延續半導體產業的摩爾定律,同意以總計 38.5 億歐元買下ASML  23% 股份,此次投資的資金預計用於協助開發預定在2018年生產的量產版本,這一重大的投資額,將促使EUV微影設備的發展更快往更大的鏡頭、更高功率、克服更大的疊對(overlay)挑戰邁進,而且會一併相容於300mm和450mm晶圓,這使得半導體產業界有望更快克服摩爾定律下主要的微縮線寬的挑戰與瓶頸,而ASML公司也承諾,會以這三家為優先銷售對象,也就是說這四家結盟起來宣示發展EUV微影技術的決心與承諾,它只許成功不許失敗。

家登精密公司已有多年與t及i公司的合作經驗,公司是全球光罩傳送盒這個領域主要的供應商,尤其是在這兩家更是光罩類產品的獨家供應商。雙方在經驗及默契都已奠下良好的基礎,同時因家登公司也有參與兩家主要客戶主導之450mm產品發展聯盟,雖然在國際大廠強敵環繞之下,家登精密公司還是突破重圍,深獲國際大廠的信賴與支持,現已成為EUV POD的領導廠商。

作者

邱銘乾

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