0

0
0

文字

分享

0
0
0

裂縫開啟奈米科技新方法

NanoScience
・2012/06/29 ・800字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

顯微鏡影像顯示了在薄膜/基材複合元件中間垂直跑出一條波浪狀的裂縫。當波浪狀的裂縫轉向影像頂端的右方時,變成直線。圖片來源:physicsworld.com

大多數製造業者對裂縫(crack)避之唯恐不及,然而最近南韓科學家卻示範了如何製造奈米級裂縫並控制其散佈,以便用來在矽晶圓上製作預設的圖案。他們表示這種方法提供了傳統微影術之外更快、更便宜的積體電路製造方式。

當兩種晶格結構不匹配的材料層疊生長時,便可能出現裂縫。例如在矽基板上沉積一薄層的氮化矽,兩材料介面間累積的應力會使晶格變形,一旦變形產生的位能足以掙脫材料原子或分子間的鍵結時,便會生成擴散至在兩種材料內的裂縫。

首爾梨花女子大學(Ewha Womans University)的 Koo Hyun Nam 等人最近卻利用裂縫,在矽基板上製作精心設計的圖案。他們先在 0.5 mm 厚的矽晶圓上的特定位置,蝕刻出有特定方向的微小結構,然後沉積上薄薄一層氮化矽,氮化矽帶來的應力會集中在這些刻痕上。他們也在基板上刻出階梯結構,用來阻止裂縫散播,或將裂縫隔絕於某一區域外。

Nam 等人藉由改變晶圓中的晶面方向,或調整沉積時的參數(如溫度或壓力),製作出直線或波浪狀的裂縫。裂縫的寬度介於 10-120 nm 之間,波狀裂縫的寬度要比直線裂縫寬。他們甚至在矽基板與氮化矽之間沉積一層二氧化矽,製作出縫線狀(stitch-like)縫製。

該團隊還發現,在未嵌入二氧化矽層的區域,裂縫對矽基板的切入較深,因此走向會比較平行基板的晶面,而在含二氧化矽層的區域,這種對齊的機制較弱,因此裂縫會改變走向,換言之,可以藉由只在部份區域加入二氧化矽,使裂縫像光折射般改變方向。

該團隊指出,上述方法提供了半導體製造業一個比傳統微影術更快、更便宜的選擇。詳見 Nature 485, pp.221 (2012) | DOI:doi:10.1038/nature11002。

譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:A cracking approach to nanotechnology—physicsworld.com [2012-05-15]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-06-08]

文章難易度
NanoScience
69 篇文章 ・ 2 位粉絲
主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
準備出國啦!Surfshark VPN 快趁黑五買起來,上網購物最安心
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

本文由 Surfshark VPN 贊助。

兩、三年以來的防疫生活,終於迎來全面 0+7 的這一天啦!返國之後不再需要隔離的一天來了,冰友們,你是不是已經收拾好心情、收拾好行李,在進行機+酒的比價了呢?除了規劃好出國行程、找好景點與美食店家,想要讓自己不可或缺的網路生活也更加安全,一定要趁即將到來了感恩節黑五期間,把超優惠的 Surfshark VPN 服務買起來,為自己的網路生活加買最平安的保險!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月
專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

在疫情下,網購成為了更多人的日常。不僅各樣的在地購物節為網友帶來眾多優惠,全球化的購物活動,台灣當然也不會缺席!美國感恩節(Thanksgiving)都是 11 月第四個星期四,但是感恩節後的週五,便是聖誕節前的購物佳期啟動日,這一天通常都會業績超標(在收支表上呈現正向收入(顯示為黑色字體,而非赤字的紅色字體),各家的瘋狂優惠都會在黑五祭出!相信許多精打細算的朋友,對黑五購物節絕對不陌生(很可能還搶過很多優惠!!)

網購怎能漏掉「亞馬遜」!

雅虎奇摩之於台灣,就像是亞馬遜(Amazon.com)之於美國那麼的有名!絕對也是什麼都賣、什麼都不奇怪的最佳代表。

如果你平常就很喜愛一些美國品牌,趁著黑五的日子到亞馬遜清空購物車,覺對優惠不會讓你失望。這時候,透過 Surfshark 連線到亞馬遜美國站,絕對會顯示的價格絕對讓你眼睛為之一亮,這時候最新搭載 M2 晶片的 iPad Pro,獨家支援動態島顯示的 iPhone 14 Pro,絕對是最好入手的時機。除此之外,亞馬遜平台經典的 Kindle 閱讀器,也是超合適的禮物,送禮自用兩相宜啊!另外要特別留意,購買時可以確認商品有沒有幫忙送到台灣,如果還沒有,可以先跟美國的朋友確認一下,邀請他們回國時幫你一起帶回來!

跨國追劇最爽快

對於喜愛追劇的朋友,品味可能相當豐富且多元,畢竟欣賞優秀影視作品,不現語言,更是不限地區啊!只不過,若是你訂閱 Netflix 等跨國 OTT 服務,都會有各地不同的上架影視作品,可能會讓你無法在第一時間就能夠立即「追」到劇,讓你等得心癢癢!還好這一切只要連上 Surfshark VPN 都能解決,Surfshark 支援超過 100 國的 VPN 連線,無論你想看韓國、日本還是哪一國的最新戲劇,通通讓你一秒追到最新進度!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月

專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

出差大陸翻牆超方便

在過往出國、返國都需要隔離的階段,肯定讓不少工作上需要經常往返多國之間的朋友,感到生活驟變。所幸,在防疫政策解封之後,一切都可逐漸恢復正常。對於經常有需要到中國大陸出差的朋友,肯定都會感受到網路斷聯的不方便,因為無論是 LINE、Facebook Messenger、YouTube、Gmail 等你可很能天天都在使用的網路服務,大陸都無法使用。這還不打緊,連跟家人、朋友報平安也很不便。這時候 Surfshark 連上,就可以幫助你輕鬆「翻牆」,跟台灣親人網路無距離!

 

上網不留痕跡,不被追蹤最自由

對於一個人來說,最私密的資料之一,除了你的個資,就屬我們每天耗費大量時間逗留的網路。我們所在網路上留下的痕跡,絕對是超真實的自己,當然你不會期待這樣的自己被「搜尋引擎」、「網路廣告」公司了解得太透徹,好像你在網路上的一言一行,都被監視著。

..0000000\0;也可隱藏IP位置,避免被廣告商追蹤;更可以為你我阻擋惡意程式、釣魚軟體等,讓你防止被攻擊,以及被網路充斥的廣告打擾,好處多又多!

如果對於 Surfshark 還覺得不夠熟悉的話,不得不告訴大家,今年 Surfshark 榮獲第六屆 CyberSecurity Breakthrough 頒發的「VPN 年度最佳解決方案」(VPN Solution of the Year),也就是成為今年最推薦的 VPN 方案。CyberSecurity Breakthrough 是全球領先的獨立市場情報組織,致力於表揚當今全球資訊安全市場上的頂尖企業、技術和產品。有了他們「掛保證」,代表 Surfshark 絕對是品質、信譽都讓你安心的VPN 服務。

講了這麼多,是不是讓你感到很心動了。如果你原本就是網路重度使用者,用來上網的設備是樣樣都有,Surfshark 一個帳號就能支援所有設備,CP 值超高!趁著年度超狂黑五購物節的到來,送給你自己兩年安心無虞的網路生活,肯定是送自己的最好禮物!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月
專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

文章難易度
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
154 篇文章 ・ 268 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

5
1

文字

分享

0
5
1
從「自動化」進化成「智動化」——智慧製造是半導體產業的未來趨勢
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/15 ・3611字 ・閱讀時間約 7 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

  • 文/曾繁安

台灣擁有傲視全球、成熟完整的半導體產業聚落,在世界科技領域中扮演舉足輕重的角色。這個國家的經濟命脈,經過全自動化的時代後,即將迎來另一次生產技術的大變革——智慧製造。

當訂單越來越多,人力卻不夠,半導體業者該怎麽辦?

半導體產業包含了矽晶圓[註]、相關化學品與氣體及導線架等封裝材料,其中又以晶圓厰為大宗,例如台積電便是全球規模最大的晶圓代工厰。素有「現代科技應用的大腦與心臟」之稱的半導體,是現代多數電子產品的核心單元,因為各項產品正是利用半導體電導率變化的特性來處理資訊。然而,目前半導體製造業卻面臨人力資源跟不上產量需求提高的挑戰。

晶圓是積體電路製程中的載體基片。圖/wikimedia

一般半導體廠場域面積大,人力短缺使企業面臨管理人手吃緊,再加上人員進出無塵室的過程繁瑣耗時,也是另一大負擔。與此同時,在廠內儀器參數比對和規劃生產計劃上,傳統人力也可能有出現誤差的風險。疫情時代也促成在宅經濟和 5G 應用的高速發展,各領域對晶片的需求大增,造成半導體產業出現產量需求高,但人力短缺的現象。

因此對不少業者而言,可有效緩解人力不足、大幅提升作業效率的數位轉型(Digital Transformation),可謂勢在必行。

從「自動化」升級到「智動化」的智慧製造

那半導體產業的數位轉型,該怎麽做?所謂數位轉型,不僅僅只是將資料或作業數位化,還包括導入人工智慧(Artificial Intelligence,簡稱 AI)與數位科技,來改變企業的整個營運生產模式。AI 指的是電腦程式可模擬人類思維過程的能力,而在 AI 概念下的機器學習(Machine Learning,簡稱 ML),即為機器可以根據已收集的大量數據,經由建立模型對新數據進行推測,學習找出最佳解、改善效能

結合 ML 的製造執行系統,需搭配裝置在工廠各處的多個傳感器(Sensor),來收集與回傳各樣的生產數據。它們與工廠設備的相互連接,即是運用了物聯網(Internet of Things)的技術。有賴於 5G 科技的發展,數據可以達成高速率傳輸與低延遲,使得機器與機器之間可以達成溝通,在整合分析各方數據資訊後,有效率地完成各種指令操作,可以比自動化製造系統,更進一步為人類代勞工廠運作的大小事務。

舉例來説,當工廠的生產過程出現問題,自動化系統只會跳出異常通知,還是需要仰賴人員來進行手動排除;但換作應用 ML 系統的話,便可透過自我學習,來自動調整製作流程以解除異常狀況,無需人力介入便可自主解決,提升良率,達成「智動化」智慧製造(Smart Manufacturing)的最終目的。

機器可以根據已收集的大量數據,經由建立模型對新數據進行推測,學習找出最佳解、改善效能。 圖/elements

懂得精益求精、提高品質產量的智慧工廠

一座運用智慧製造的半導體工厰,不但能自主克服製程中的疑難雜症,更能幫助提高晶圓的產量品質。在研發方面,AI 可以協助理解高複雜、高維度的製程開發挑戰,也可與 ML 軟體分析感測資料和檢測影響,進行品質管理與缺陷檢查。

此外,數據治理和數位分身,也是智慧製造的關鍵策略。對企業整體的數據進行管理和控制以提高數據的價值將因為數據產生的成本風險降到最低,是數據治理(Data Governance)的核心精神。

在兼顧資訊安全下,數據治理的體系能使跨部門間的數據共享更為方便暢通。輔以 AI 及 ML 的運算,便可以使業務部門的客戶需求、供應鏈管理等資料,與工廠生產部門的設備控制與品管等流程,有更迅速緊密的配合,規劃好合適的未來生產計劃,指導人員進行相關作業。

如同我們可以在電玩游戲或社交媒體上,按照自己的個人形象,來打造自己的虛擬化身,工厰也能藉助現今的科技,來為產品的物理實體,在資訊化平臺或系統的虛擬空間中,打造一個類比實物數位分身(Digital Twin)

數位分身模型之概念圖。圖/wikimedia

數位分身也是物聯網的應用之一,半導體廠中,由傳感器所收集到的晶圓製造數據,在 AI、ML 和軟體分析的協助下被整合,對映成數位空間中「雙胞胎」的存在。這位孿生兄弟不僅能夠隨物理實體的變化而即時做出相應變化,還可以提供無法在實體產品上測試計算的數據。

理想情況下,數位分身可以經由機器學習,分析過去的歷史資料或多重來源的數據,來推估實體的未來情境。因此在危機或異常事件發生前,業者便可預先進行預測性的設備維護與產品的良率分析,比起傳統人力的判斷更加精確,降低技術風險,大大提高生產效率。

工業 4.0 浪潮來襲,智慧製造是產業未來趨勢

運用通訊科技、資料庫和電腦系統達成全自動化生產,已不是新鮮事,如今人類社會正迎來第四次工業革命的新一波浪潮。主打網絡與機械相互連接的核心精神,導入人工智慧、機器學習、物聯網感測與大數據分析等人機協作的智慧製造,是因應多變市場需求的時下趨勢。

在半導體領域中,企業龍頭台積電可説是數位轉型的成功案例,從二十年前的全自動化製造系統,如今致力於打造組織內部友善 AI 的工作環境,努力向智慧製造全面轉型。數位轉型的技術支援不能沒有半導體產業製造的晶片,而如今數位轉型也有望帶領半導體產業突破產能吃緊、人才短缺的困境,走向智慧製造的新紀元。

以台灣在地企業的智慧製造覆蓋率而言,就已在短短 6 年內成長 50%。舉全台最大的國際半導體展 SEMICON Taiwan 為例,智慧製造相關的展商在近六年內的成長幅度也同樣攀升了 50%。

今年高科技智慧製造特展將以歷年最大規模之姿登場,與全台最大半導體盛宴 SEMICON Taiwan 2022 國際半導體展同期同地舉辦,匯集橫跨高科技製造業智慧製造解決方案業者、系統整合、軟硬體商及智慧製造需求端業者,如盟立自動化、倍福自動化、家登精密、攝揚企業、日商 JEL 等不容錯過。

今年高科技智慧製造特展將以歷年最大規模之姿登場,與全台最大半導體盛宴 SEMICON Taiwan 2022 國際半導體展同期同地舉辦。圖/SEMI

因應疫情下數位轉型成為全球企業的重要任務,今屆展覽中的「高科技智慧製造論壇」將由美光科技、 Lam Research、 Rockwell Automation、Siemens 等知名企業專家以人工智慧工廠為主軸,探討 GEC 技術藍圖,內容包含五個部分包含數據管理、智能分析、數位分身預測等重點實務經驗分享,從晶圓厰到設備製造商和解決方案提供者的角度,讓參與者得以探究 AI 智能工廠的前景和挑戰,跟上數位轉型的步伐。

除了智慧製造議題,展覽期間共有超過 20 場重磅級的國際趨勢論壇,豐富主題涵蓋先進製程、異質整合、化合物半導體、車用晶片、永續製造、半導體資安及人才。論壇將在今年 9 月 13 日率先開幕,展覽則於 9 月 14 日至 16 日於臺北南港展覽館一館盛大開場,規模創歷年新高,届時將有 700 間國內外指標性大廠共襄盛舉,現場將有 2,450 個攤位展出,完整串聯全球半導體供應鏈,目前展會參觀與論壇皆已開放報名,參與席次有限,有興趣者趕快手刀至官網報名起來!

註:晶圓(Wafer)是半導體晶體圓形的簡稱,是從半導體材料如最常見的矽,經過拉製、提煉等一系列處理過程,製成的圓柱狀半導體晶體經過切片、抛光而來。這些圓形薄切片被用於積體電路製程中的載體基片,也可用來製作太陽能電池。

參考資料

  1. 半導體是什麼?晶片產業一次看懂
  2. About SEMI Smart Manufacturing initiative
  3. 【獨家披露】台積電數位轉型的下一步,靠AI推動全面轉型(上
  4. 【獨家披露】台積電數位轉型的下一步,靠AI推動全面轉型(下)
  5. 泛科學:每分鐘 15 次的駭客攻擊,5G 世代的臺灣資安挑戰——資安所王仁甫策略總監專訪
  6. Data Governance – 臺灣人工智慧行動網
  7. 「數據治理」:人工智慧企業的基本功
  8. 科技大觀園:從全自動化製造邁向智慧製造
  9. 聯剛科技股份有限公司
  10. 【新興領域:9月焦點8】數位分身(Digital Twin)技術發展趨勢與不同層次應用模式
  11. 半導體資安的新挑戰!後疫情時代,如何全面打造半導體供應鏈數位韌性
  12. 工業4.0大全,從淺到深一篇搞懂它!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
154 篇文章 ・ 268 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

3
1

文字

分享

0
3
1
噔噔愣噔愣~縮小術!用光學微影把 IC 晶片變小了
研之有物│中央研究院_96
・2022/08/10 ・6070字 ・閱讀時間約 12 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 整理撰文/郭雅欣、簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

手機越來越快, IC 晶片卻越來越小,關鍵是「光學微影」

自光學微影技術出現以來,積體電路(Integrated circuit, IC)的體積跟隨著摩爾定律不斷縮小,到我們踏入 5 奈米量產世代的今日,IC 可以說足足縮小了百萬倍!這樣的成果並非一蹴可幾,而是多年來半導體研發人員和工程師的心血累積而成。中央研究院 111 年知識饗宴的科普講座中,林本堅院士以「光學微影縮 IC 百萬倍」為題目,分享了光學微影這一路走來,如何將半導體元件尺寸愈縮愈小、推向極限。

林本堅院士分享半導體微影技術的發展歷程。資料來源/中央研究院

隨著積體電路(IC)與半導體製程的進展,我們的手機、平板等 3C 產品,體積愈來愈小,速度卻愈來愈快,功能也愈來愈多、愈強大。這歸根究柢,是因為現在的半導體技術把 IC 愈做愈小了,在 3C 產品中可以放入的元件數量愈來愈多,自然能做的事情更多了,效率也增加了。

IC 愈做愈小的關鍵技術在於光學微影(Optical Lithography)。光學微影簡單來說,就是在製作元件的過程中,將元件的組成材料依所需位置「印」在半導體晶圓上的技術。能印出愈精細的圖案,就能製作出愈小的元件。

如果讀者好奇手機或電腦的 IC 晶片是怎麼做出來的?請參考以下蔡司公司製作的影片,解釋了晶片從原料到封裝的整個過程,影片中的曝光(exposure)步驟,就是我們這篇文章要介紹的主題。

衡量元件尺寸的關鍵指標之一為「電晶體閘極長度」(Gate length),這個數字與 IC 速度直接相關。以場效電晶體來說,閘極長度愈小,電流可以花更少時間通過電晶體的汲極和源極。

如果要表示元件微縮的程度,另一個關鍵指標為線寬和週距(Pitch),通常以金屬層線與線的週距為參考基準,週距做得愈小,線寬也愈小,元件微縮程度愈高,見以下示意圖。

線寬與週距(Pitch)的示意圖,週距為線寬加上線與線之間的間距,可表示金屬線週期性排列的尺度大小。圖/研之有物

如今,到了單位數奈米的世代(例如 7 奈米或 5 奈米製程),這些數字已經逐漸演變為僅是世代的號誌。雖然 IC 還是愈小愈好,但是新世代製程工藝可能代表運算快、密度高、價錢便宜等其他綜合優點。

那 IC 目前到底縮小了多少呢?我們可以先有個概念,如果把每個世代視為實際尺寸來看,自從 1980 年代有光學微影技術以來,線寬從一開始的 5,000 奈米,如今已降到 5 奈米、甚至往 3 奈米邁進了。線寬不斷往下縮小,每一代大約縮小為上一代的 0.7 倍,到 5 奈米已經是第 21 代。經過了這樣的「代代相傳」,線寬縮小了 1,000 倍,換算下來,同一面積所能放入的元件數量高達原本的 100 萬倍!

光學微影技術如魔法般把線寬一步步縮小,靠的是多年來研發人員一步步的努力。林本堅院士在「光學微影縮 IC 百萬倍」這場科普講座中,一一細數其中的關鍵改良,以及箇中挑戰。

IC 晶片縮小術,秘訣在於追求最小線寬

讓我們先從一個核心的光學解析度公式開始:

半週距(Half Pitch)= k1λ/sinθ

半週距:一條線寬加上線與線的間距後乘以 1/2。曝光解析度高時,半週距可以做得愈小,意味著線寬可以愈小。

k1:一個係數,與製程有關,縮小半週距的關鍵,是所有半導體工程師致力縮小的目標。

λ:微影製程中使用的光源波長,從一開始的 436 奈米,現已降到 13.5 奈米。

sinθ:與鏡頭聚光至成像面的角度有關,基本上由鏡頭決定。

光線通過透鏡系統聚焦成像示意圖,n 為介質折射率,θ 為鏡頭聚焦至成像面的角度。圖/研之有物

由於光在不同介質中,波長會有所改變,因此我們在考慮如何增加解析度時,可將鏡頭與成像面(晶圓)之間的介質(折射率 n)一併納入考量,將 λ 改以 λ0/n 表示,λ0 是真空中的波長。

半週距(Half Pitch)= k1λ0/n sinθ

因此,增加曝光解析度(半週距 ↓)的努力方向為:增加 sinθ、降低 λ0、降低 k1、增加 n。

另一方面,為了讓微影製程有足夠大的曝光清晰範圍,鏡頭成像的景深(DOF)數字愈大愈好(註1),但是景深變大的副作用是——半週距也會跟著變大,因此在製程改良上必須考慮兩者的平衡或相互犧牲。

巨大複雜的鏡頭,都是為了增大 sinθ

sinθ 與鏡頭聚光角度有關,數值由鏡頭決定,sinθ 愈大,解析度愈高。光學微影所使用的鏡頭,並不如我們平常使用的相機或望遠鏡那般簡單——而是由非常多大大小小、不同厚薄及曲率的透鏡,經過精確計算後,仔細堆疊組成的(如下圖)。

這樣極其精密的鏡頭,林本堅透露:「6,000 萬美金的鏡頭已經不值得驚奇了,一億美金都有可能。」鏡頭做得這樣複雜、巨大又昂貴,是為了盡可能將 sinθ 逼近它的極值,也就是 1,他接著說:「目前的鏡頭可將 sinθ 值做到 0.93,這已經是非常辛苦了。」

微影機的鏡頭設計相當複雜,林本堅提到目前業界盡可能提升 sinθ 值到 0.93。圖中的 NA = n.sinθ = 0.9,空氣折射率 n 約為 1,故此鏡頭 sinθ 水準為 0.9。鏡頭模組實際使用時會立起來垂直地面(如下圖)。圖/研之有物
林本堅院士於演講中強調,微影機的鏡頭模組非常巨大,而且重得必須使用起重機才能搬運。圖/111 年中央研究院知識饗宴

鏡頭材料精準的搭配:縮短波長

第二個方法是縮短波長。雖說改變使用的光源,就能得到不同的波長,但因為不同波長的光經過透鏡後的折射方向不同,因此鏡頭的材料也必須相應改變。林本堅表示,當波長愈縮愈短,「我們能選擇的鏡頭材料也愈來愈少,最後就只有那兩三種可以用。」

用少數幾種材枓來調適光源的頻寬愈來愈難。所以後來大家轉而選擇單一種合適的材料,並針對適合這種材料的波長,將頻寬盡量縮窄。林本堅說:「連雷射的頻寬都不夠窄小,現在把頻寬縮窄到難以想像的程度。」

另一種解決問題的方法,則是在鏡頭的組成中加入反射鏡,這樣的鏡頭組合稱為反射折射式光學系統(Catadioptric system)。因為不管是什麼波長的光,遇到鏡面的入射角和反射角都是相等的,因此若能以一些反射鏡面取代透鏡,就可以增加對光波頻寬的容忍度。

上圖為波長 193 奈米光源所使用的曝光鏡頭模組,從示意圖可看到在透鏡組合之間加入了反射鏡。圖/研之有物

後來到了 13.5 奈米(極紫外光,EUV)的波長時,甚至必須整組鏡頭都使用反光鏡,稱為全反射式光學系統(All reflective system),可參考以下 ASML 公司的展示影片。林本堅表示,這種全反射鏡的系統,必須設計得讓光束相互避開,使鏡片不擋住光線。此外,相較於透鏡穿透的角度,鏡面反射的角度對誤差的容忍度更低,鏡面角度必須非常非常精準。以上這些都增加了設計的困難度。

曝光波長的改變還會牽涉到底下的曝光光阻,光阻材料從化學性質、透光度到感光度等各項特性,都必須隨著曝光波長的改變而調整,「這是個浩大的工程。其中感光速度非常重要,是節省製造成本的關鍵」,林本堅說。

值得一提的是,光阻材料的感光速度在微縮 IC 的歷史中相當重要。1980 年代,時任 IBM 的 C.G. Willson 和 H. Iro 率先提出一種以化學方式放大光阻感光速度的方法,將感光速度提升了 10~100 倍,大幅增加了曝光效率。這項重大發明,讓 C.G. Willson 在 2013 年榮獲「日本國際獎」(Japan Prize),可惜當時 H. Iro 博士已故,無法一同受獎。

提高解析度的關鍵:降低 k1

提高解析度的重頭戲就在於如何降低 k1。林本堅說:「你可以不用買昂貴的鏡頭,也可以不選用需要很多研發功夫的新波長。只要你能用聰明才智與創造力,將 k1 降下來。」

首先是「防震動」,就好像拍照開防手震功能一樣,在晶圓曝光時設法減少晶圓和光罩相對的震動,使曝光圖形更加精準,恢復因震動損失的解析度。再來是「減少無用反射」,在曝光時有很多表面會產生不需要的反射,要設法消除。林本堅表示,改良上述這兩項, k1 就可以達到 0.65 的水準。

提高解析度還可以使用雙光束成像(2-beam Imaging)的方法,分別有「偏軸式曝光」(Off-Axis Illumination, OAI)及「移相光罩」(Phase Shift Mask, PSM)兩種。

偏軸式曝光是調整光源入射角度,讓光線斜射進入光罩,原本應通過光罩繞射的三束光(1 階、0 階與 -1 階),會去掉外側的一束光(1 階或 -1 階),只留下其中兩束光(例如 0 階和 1 階)。透過角度的調整,可以很巧妙地讓這兩道光相互干涉來成像,使解析度增加並增加景深。

移相光罩則是在光罩上動些手腳,讓穿過相鄰透光區的光,有 180 度的相位差。相位差 180 度的光波強度不會改變,只是振幅方向相反。如此一來,相鄰透光區的光兩兩干涉之後,剛好會在遮蔽區相消(該暗的地方更暗),增加透光區與遮蔽區的對比,進而提高解析度。

「這兩種做法都可以讓 k1 減少一半。」林本堅笑說:「可惜這兩種方法都是用 2-beam Imaging 的概念,不能疊加起來使用。」

目前業界多半多半使用偏軸式曝光,林本堅表示:「移相光罩一方面比較貴,另一方面,它不能任意設計圖案,必須考量鄰近相位不抵消的問題。」利用各種降低 k1 的技術,目前已將 k1 降到 0.28,「這幾乎是這些技術所能做到的 k1 極限了。」

要進一步降低 k1 ,還有辦法!就是用兩個以上的光罩,稱為「多圖案微影」。簡單來說,它將密集的圖案分工給兩個以上圖案較寬鬆的光罩,輪流曝光在晶圓上,這樣可以避免透光區過於接近,使圖案模糊的問題。缺點則是因為曝光次數加倍,等於效率降低了一半。

鏡頭與晶圓之間的介質:浸潤式微影技術

在增加微影解析度的路上,最後一個可以動手腳的就是鏡頭與晶圓之間的介質。由林本堅提出的浸潤式微影技術中,將鏡頭與晶圓之間的介質從折射率 n~1 的空氣,改成n= 1.44 的水(對應波長為 193 奈米的光),形同將波長等效縮小為 134 奈米。

浸潤式微影技術讓半導體工藝在 12 年內往前走了 6 代——從 45 奈米直到 7 奈米。林本堅補充說,這個技術的優勢在於「你可以繼續使用同樣的波長和光罩,只要把水放到鏡頭底部和晶圓之間就好。」

乾式微影光學系統與浸潤式微影光學系統的差異。圖/研之有物

不過,林本堅話鋒一轉。「我說得很輕鬆,把水放進去就好。但這背後其實有很多技術。」例如水中的空氣可能讓水產生氣泡,必須完全移除。另外,放進去的水必須很均勻,在透光區照到光的水,會變得比遮蔽區的水要熱一些,這個溫差就會讓水變得不均勻,影響成像。為了避免溫差,必須讓水快速流動混合,但又可能會產生漩渦。

「這很考驗我們機台放水的裝置,如何讓水流快速均勻又不起漩渦?這是個大學問,至今放水裝置起碼重新設計了六到八次。」

水的另一個特點,就是「它是很好的清洗劑。」林本堅說。在使用浸潤式微影技術時,水很容易把鏡頭等所有接觸到的東西上的雜質都洗下來,「結果就是晶圓上有上千個缺陷(defects)。我們花了很多功夫把缺陷的數量從幾千個,降到幾百個、幾十個,最後降到零。」林本堅說:「那是需要投入很多人力和晶圓才能完成。」

半導體人才需要是專才、通才,也要是活才

演講的最後,身為清華大學半導體研究學院院長的林本堅提及人才的培養。半導體的技術已經演進到非常複雜的程度,沒有一個學生能精通所有的技術層面。林本堅說:「所以你會發現,半導體需要團隊互助合作。」

而踏入這塊領域的學生,林本堅期許除了要有基本的理工能力外,還需要有對問題的好奇心,會發現新問題,也會找到有趣的新技術(活才)。「如果不能自己發現新的技術,會永遠跟在別人後面。」

林本堅強調,這不是簡單的事情,因為「真的有學不完的東西。」半導體可以分成材料、製程、設計、元件四個領域,「我們希望學生至少在一個領域很精通,有本領深入鑽研(專才)。但對其它的領域,也得有某種程度的認識(通才),才能彼此合作,解決問題。」

關於半導體人才的培養,林本堅院士期許學生先專精在一個領域,並對其他領域有一定程度瞭解,促進團隊合作、解決問題,進而發現新的技術。圖/林本堅

註解

註1:DOF=k3λ/sin2(θ/2),k3 是因應高 NA 值的曝光鏡頭所引入之係數。

延伸閱讀

研之有物│中央研究院_96
253 篇文章 ・ 2203 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook