如何将半导体元件尺寸越缩越小、推向极限

自光学微影技术出现，集成电路（Integrated circuit，IC）体积跟随着摩尔定律不断缩小，到踏入3纳米量产的今日，IC 可说足足缩小了百万倍！这成果并非一蹴可几，而是多年来半导体研发人员和工程师的心血累积。在不久前的台湾地区中研究院111年知识飨宴科普讲座上，被誉为浸润式光刻之父的林本坚林本坚院士以「光学微影缩IC 百万倍」为题，分享光学微影一路走来，如何将半导体元件尺寸越缩越小、推向极限。

随着集成电路（IC）与半导体制程进展，智能手机、平板等3C 产品，体积越来越小，速度却越来越快，功能也越来越多、越强大。这归根到底，是因现在半导体技术把IC 越做越小，3C 产品可放入的元件数量越来越多，自然能做的事就更多，效率也增加了。

IC 越做越小的关键技术在于光学微影（Optical Lithography）。光学微影简单来说，就是制作元件时，将元件组成材料依所需位置「印」在半导体晶圆上的技术。能印出越精细的图案，就能制作越小的元件。

如果读者好奇手机或电脑IC 芯片是怎么做出来的，可参考蔡司公司视频，解释芯片从原料到封装的整个过程，曝光（exposure）步骤，就是此文要介绍的主题。

衡量元件尺寸的关键指标之一为「晶体管闸极长度」（Gate length），这数字与IC 速度直接相关。以场效晶体管来说，闸极长度越小，电流就可花更少时间通过晶体管漏极和源极。

如果要表示元件微缩程度，另一个关键指标为线宽和周距（Pitch），通常以金属层线与线的周距为参考基准，周距越小，线宽也越小，元件微缩程度越高。

▲ 线宽与周距示意图，周距为线宽加上线与线的间距，可表示金属线周期性排列的尺度大小。

如今到了单位数纳米世代（如7纳米或5纳米制程），这些数字逐渐演变为世代标志。虽然IC 还是越小越好，但新世代制程可能代表运算快、密度高、价钱便宜等其他综合优点。

那IC 目前到底缩小多少？先有个概念，如果把每个世代视为实际尺寸，自从1980 年代有光学微影技术以来，线宽从一开始5,000纳米降到现在5纳米，甚至往3纳米迈进。线宽不断缩小，每代约缩小上一代0.7 倍，到5纳米是第21 代。经过「代代相传」，线宽缩小1,000 倍，换算下来，同面积能放入的元件数量高达原本100 万倍！

光学微影技术如魔法把线宽一步步缩小，靠的是多年来研发人员一步步努力。林本坚院士在「光学微影缩IC 百万倍」科普讲座，细数关键改良点及挑战。

IC 如何缩小？追求最小线宽

先从核心光学解析度公式开始：

半周距（Half Pitch）= k1λ／sinθ

半周距：一条线宽加上线与线间距后乘以0.5。曝光解析度高时，半周距可做得越小，代表线宽越小。

k1：系数，与制程有关，缩小半周距的关键，是所有半导体工程师致力缩小的目标。

λ：微影制程的光源波长，从一开始436纳米降到13.5纳米。

sinθ：与镜头聚光至成像面的角度有关，基本上由镜头决定。

▲ 光线通过透镜系统聚焦成像示意图，n 为介质折射率，θ 为镜头聚焦至成像面的角度。（Source：111 年中央研究院知识飨宴）

由于光在不同介质波长会改变，因此考虑如何增加解析度时，可将镜头与成像面（晶圆）的介质（折射率n）一并纳入考虑，将λ 改以λ0/n 表示，λ0 是真空波长。

半周距（Half Pitch）= k1λ0／n sinθ

故增加曝光解析度（半周距↓）的努力方向为：增加sinθ、降低λ0、降低k1、增加n。

另一方面，为了让微影制程有够大曝光清晰范围，镜头成像景深（DOF）数字越大越好（注），但景深变大的副作用是半周距也会跟着变大，因此制程改良必须考虑两者平衡或相互牺牲。

增加sinθ：巨大复杂的镜头

sinθ 与镜头聚光角度有关，数值由镜头决定，sinθ 越大，解析度越高。光学微影镜头不如平常相机或望远镜那样简单，而是由非常多大大小小、不同厚薄及曲率的透镜，经精确计算后仔细堆叠组成（下图）。

这种镜头极其精密，林本坚透露：「6,000 万美元镜头已不稀奇，1 亿美元都有可能。」镜头做得复杂、巨大又昂贵，是为了尽可能将sinθ 逼近极值，也就是1。「目前镜头可将sinθ 值做到0.93，已非常辛苦了。」

▲ 光刻机的镜头设计相当复杂，林本坚提到目前业界尽可能提升sinθ 值到0.93。图中NA = n．sinθ = 0.9，空气折射率n 约为1，故此镜头sinθ 为0.9。镜头模组实际使用时会立起来垂直地面（如下图）。（Source：111 年中央研究院知识飨宴）

▲ 林本坚强调光刻机镜头模组非常巨大，重到必须出动起重机才能搬运。（Source：111 年中央研究院知识飨宴）

缩短波长：材料与镜头的精准搭配

第二个方法是缩短波长。虽说改变光源就能得到不同波长，但不同波长光经过透镜后折射方向不同，镜头材料也必须改变。林本坚表示，当波长越缩越短，「我们能选择的镜头材料也越来越少，最后就只有那两三种可以用。」

用少数几种材枓调适光源的频宽越来越难。后来大家转而选择单一种合适的材料，并针对适合这种材料的波长，将频宽尽量缩窄。林本坚说：「连激光的频宽都不够窄小，现在频宽缩窄到难以想像的程度。」

另一种解决问题的方法，是在镜头组成加入反射镜，称为反射折射式光学系统（Catadioptric system）。因不管什么波长的光，遇到镜面的入射角和反射角都相等，若能以一些反射镜面取代透镜，就能增加对光波频宽的容忍度。

▲ 波长193纳米光源的曝光镜头模组，可看到透镜组合加入反射镜。（Source：Proceedings of the IEEE）

后来到了13.5纳米（极紫外光，EUV）波长时，甚至必须整组镜头都使用反光镜，称为全反射式光学系统（All reflective system），可参考下方ASML 的展示影片。林本坚表示，全反射镜系统必须设计得让光束相互避开，使镜片不挡住光线。此外，相较透镜穿透角度，镜面反射角度的误差容忍度更低，镜面角度必须非常非常精准。以上这些都增加设计困难度。

曝光波长改变还会牵涉到曝光光阻，光阻材料从化学性质、透光度到感光度等各项特性，都必须随曝光波长改变调整，「这是浩大的工程，且感光速度非常重要，是节省制造成本的关键。」林本坚说。

值得一提的是，光阻材料的感光速度在微缩IC 历史上相当重要。1980 年代，时任IBM 的CG Willson 和H. Iro 率先提出以化学方式放大光阻感光速度的方法，将感光速度提升10~100 倍，大幅增加曝光效率。这项重大发明，让CG Willson 在2013 年荣获「日本国际奖」（Japan Prize），可惜当时H. Iro博士已过世，无法一同受奖。

降低k1：解析度增益技术（RET）

提高解析度的重头戏就在如何降低k1。林本坚说：「你可以不买昂贵的镜头，也可以不选用需要很多研发工夫的新波长。只要你能用聪明才智与创造力，将k1 降下来。」

首先是「防震动」，就好像拍照开防手震功能，晶圆曝光时设法减少晶圆和光罩相对震动，使曝光图形更精准，恢复因震动损失的解析度。再来是「减少无用反射」，曝光时有很多表面会产生不需要的反射，要设法消除。林本坚表示，改良上述两项，k1 就能达到0.65 水准。

提高解析度还能用双光束成像（2-beam Imaging）法，分别有「偏轴式曝光」（Off-Axis Illumination，OAI）及「移相光罩」（Phase Shift Mask，PSM）两种。

偏轴式曝光是调整光源入射角度，让光线斜射进入光罩，原本应通过光罩绕射的三束光（1 阶、0 阶与-1 阶），会去掉外侧一束光（1 阶或-1 阶），只留下两束光（如0 阶和1 阶）。透过角度调整，很巧妙让两道光相互干涉成像，使解析度增加并增加景深。

移相光罩则在光罩动手脚，让穿过相邻透光区的光有180 度相位差。相位差180 度的光波强度不会改变，只是振幅方向相反。如此一来，相邻透光区的光两两干涉之后，刚好会在遮蔽区相消（该暗的地方更暗），增加透光区与遮蔽区的对比，进而提高解析度。

「这两种做法都可让k1 减少一半。」林本坚笑说：「可惜这两种方法都是用2-beam Imaging 概念，不能叠加使用。」

目前业界多半采偏轴式曝光，林本坚表示：「移相光罩一方面比较贵，另一方面不能任意设计图案，必须考虑邻近相位不抵消的问题。」利用各种降低k1 的技术，已将k1 降到0.28，「这几乎是这些技术能达到的k1 极限了。」

要进一步降低k1 ，还有办法！就是用两个以上光罩，称为「多图案微影」。简单说，将密集图案分工给两个以上图案较宽松的光罩，轮流曝光至晶圆，可避免透光区过于接近，使图案模糊的问题。缺点则是曝光次数加倍，等于效率降低一半。

增加n：浸润式微影技术

增加微影解析度之路，最后可动手脚的就是镜头与晶圆的介质。林本坚提出的浸润式微影技术，将镜头与晶圆的介质从折射率n~1 的空气，改成ｎ= 1.44 的水（对应波长为193纳米光），形同将波长等效缩小为134纳米。

浸润式微影技术让半导体制程12 年内往前走了6 代：从45纳米直到7纳米。林本坚补充，这技术优势在「可继续使用同样波长和光罩，只要把水放到镜头底部和晶圆中间就好。」

▲ 干式微影光学系统与浸润式微影光学系统的差异。（Source：111 年中央研究院知识飨宴）

不过林本坚话锋一转。「我说得很轻松，把水放进去就好，但背后有很多技术。」如水中空气可能让水产生气泡，必须完全移除。另水必须很均匀，透光区照到光的水，会比遮蔽区的水热一点，温差会让水不均匀，影响成像。为了避免温差，必须让水快速流动混合，但又可能产生漩涡。

这很考验机台放水的装置，如何让水流快速均匀又不起漩涡？这是个大学问，至今放水装置起码重新设计了6~8 次。

水的另一个特点，就是「很好的清洗剂」。使用浸润式微影技术时，水很容易把镜头等所有接触物品上的杂质都洗掉，「结果就是晶圆有上千个缺陷（defects）。我们花了很多工夫把缺陷数从几千个降到几百个、几十个，最后降到零。」林本坚说：「那需要投入很多人力和晶圆才能做到。」

半导体人才得是专才、通才，也是活才

演讲最后，身为台湾地区清华大学半导体研究学院院长的林本坚提及人才培养。半导体技术演进到非常复杂，没有一个学生能精通所有技术层面。林本坚说：「所以你会发现，半导体需要团队合作。」

踏入这块领域的学生，林本坚期许除了要有基本的理工能力，还需要有好奇心，会发现新问题，也会找到有趣的新技术（活才）。「如果不能自己发现新技术，会永远跟在别人后面」。

林本坚强调，这不是简单的事，因「真的有学不完的东西」。半导体可分成材料、制程、设计、元件四领域，「希望学生至少精通一个领域，有本领深入钻研（专才）。但对其他领域，也得有某种程度的认识（通才），才能彼此合作，解决问题。」

审核编辑 ：李倩