蔡司半導體的兩名員工正在研究DUV技術
DUV微影技術有何用途?

蔡司DUV微影光學元件

解析與精準是創新的驅動因素

更短、更精細、更準確-且人眼看不到

人眼可見光的光譜波長大約在400和800奈米之間。這波長太長,無法滿足今日半導體製造需求。將晶片的精細結構在矽晶圓上曝光所需波長低於人眼可見光的光譜波長。全球晶片製造商使用蔡司半導體的微影光學元件(德國未銷售),可在波長為365、248和193奈米的「深紫外光」(DUV光)範圍內進行奈米等級精度的曝光。  

DUV微影技術的運作原理

  • 蔡司光學模組的一名員工正在處理產品

    所需的DUV光由準分子雷射產生。這種氣體雷射可產生紫外線波長範圍的電磁輻射。準分子雷射是目前紫外線光譜中最靈活、最強大的光源。

    圖為安裝在準分子雷射器內的模組。

  • 蔡司光學模組的一名員工正看著光學元件

    準分子雷射的光學元件必須在高光強度和低波長的光線下運作。蔡司半導體光學模組(OM)部門提供這些光學元件。

  • 不同範圍的可見光波長光譜

    視波長而定使用不同氣體。波長248奈米使用氟化氪(KrF),193奈米則使用氟化氬(ArF)。

  • DUV光學系統中的蔡司半導體投影光罩

    投影光罩上有晶片藍圖。

  • 蔡司半導體微影技術的運作原理有如倒置的幻燈片投影機

    使用蔡司半導體的光學系統可將光罩上的資訊縮小尺寸,然後投影在矽晶圓上。類似將圖像投影在螢幕上的幻燈片投影機,DUV光可大幅縮小光罩上的圖案,然後再將圖案重現在晶圓上。

  • 恩斯特.阿貝的公式代表解析度理論

    蔡司照明系統的品質和外觀以及投影光學的解析能力也決定了晶片可微型化的程度。

  • DUV微影技術中浸潤式微影技術的光束

    使用DUV光可實現解析度低至40奈米的結構-這全歸功於首次應用在DUV微影技術的新程序:浸潤式微影技術

數值孔徑

浸潤式可提高解析度

前代微影技術的解析度因晶圓上方空間的空氣而受限。恩斯特.阿貝早已提出光學顯微鏡的解析度受限於光波長和數值孔徑(又稱阿貝極限),數值孔徑是由圖像平面上方最後一層介質的折射率以及光學元件的孔徑角度所產生,而光學元件的孔徑角度又取決於光學元件的尺寸,先前的微影技術在這方面已經達到經濟上可行的極限,若要再提高解析度,就需要新方法,而解決方案就是填充晶圓上方空氣空間的浸潤式液體。阿貝早就研究過顯微鏡的浸潤式原理,後來也成功地將浸潤式光學元件用於DUV微影技術。

員工在DUV產品Starlith® 1900i上鎖螺絲

使用浸潤式提高解析度

這套方法已成功運用在顯微鏡上。自2000年代中期開始,這套方法也運用在蔡司半導體的晶片製造光學元件上。在光學元件和晶圓之間引入液體,並讓光學鏡頭浸入液體中(浸潤式),由於水的折射率較高,光束會進一步偏折,進而加大數值孔徑,解析度也因此明顯提高。例如:使用波長193奈米的光,蔡司微影光學元件可達到小於40奈米的解析度。

用於優化成像的高度彈性照明系統

為突破光學解析度的極限,照明設定的選擇在優化成像程序上扮演非常重要的角色。照明設定和光罩布局經過協同優化後,可確保成像程序根據目標轉印,且提供製程足夠的容錯空間。為支援最先進的光源和光罩優化,蔡司照明系統提供幾近無限的自由度,以達客戶特定優化。自2009年起,浸潤式系統配備FlexRay照明系統:其微型鏡面陣列可即時呈現使用者自訂照明設定,無需任何前置時間,即使是最先進的晶片設計,也能確保最佳、最穩定的成像品質。

洞悉艾司摩爾的機台

蔡司是技術先驅

我們的策略合作夥伴艾司摩爾-採用蔡司半導體的光學元件-是全球第一家將浸潤式微影技術帶入成熟製程的製造商。隨著這套浸潤式光學原型的問世,蔡司半導體在2003年改變了光學微影技術的發展藍圖。過去,157奈米微影技術被視為未來科技;如今,浸潤式微影技術已成為延續摩爾定律的新方法。現在,我們的策略合作夥伴艾司摩爾晶圓曝光設備內的蔡司微影光學元件已經成為先進晶片製造的核心要素,為半導體產業奠定基礎。 

 

蔡司半導體技術長Thomas Stammler

全球約80%的晶片都是使用蔡司光學元件所製造。

Thomas Stammler博士 技術長

DUV技術亮點

蔡司半導體DUV微影光學元件:德國未銷售
  • 蔡司半導體DUV技術與Starlith® 1460。

    193奈米微影技術(ArF)

    浸潤式技術提高了解析度,蔡司Starlith® 1982i是公司最成功和最暢銷的產品,該產品使用氟化氪(KrF)準分子雷射,可達到低於40奈米的解析度。

    蔡司 Starlith® 1460是一種微影技術光學元件,可達到55奈米的解析度。這套光學元件在全球用於晶片量產,屬於「乾式」系統,亦即最後一個鏡片到晶圓之間的介質為空氣。

     

  • 蔡司半導體DUV技術與Starlith® 860。

    248奈米的微影技術(KrF)

    Starlith® 860微影光學元件是蔡司半導體最暢銷的氟化氪(KrF)準分子雷射光學元件之一,該產品可達到低於110至90奈米的解析度。

    Starlith® 1000同樣也是量產產品,該產品的工作波長為248奈米,解析度可低至80奈米。

  • 蔡司半導體DUV技術與Starlith® 400。

    365奈米的微影技術(I line)

    蔡司Starlith® 400工作波長為365奈米,適用於例如:非關鍵結構的微影技術。該光學元件可實現220奈米的結構,且使用高壓汞蒸氣燈。

  • 一名員工正在處理線寬壓窄模組

    線寬壓窄模組(Line Narrowing Module,LNM)

    雷射室產生的輻射是準單色光,在將結構從光罩投影到晶圓時,還必須進一步降低波長頻寬,以避免成像誤差。

    線寬壓窄模組(LNM)是一種頻寬降低模組,透過分割雷射光,並將其降至所需波長頻寬,來執行此任務。

  • 雷射光學元件

    雷射光學元件

    DUV雷射的深紫外光輻射具有極高能量密度,可能導致雷射器所有材料出現降解現象。因此,蔡司半導體專精於了解光學材料降解的物理和化學原理,並開發出具降解抗性的光學元件。 

    這些元件可在雷射器中執行各種任務:可擴大或縮小光束的稜鏡;可部分反射、部分穿透的分光器;反射鍍膜及抗反射鍍膜。

  • 蔡司半導體照明系統產品圖片

    照明系統

    光罩的照明在優化微影成像製程中扮演關鍵角色-靈活性與控制是關鍵。每一種類型的投影光學元件都有設計特定照明系統。這可確保各模組在客戶端能共同運作,達到優化效能的目的。

常見問題

  • 晶片製造需要最先進的技術,才能在薄矽晶圓上建立最精細的結構。這些結構形成積體電路(IC),亦即晶片。蔡司半導體製造科技(SMT)的DUV微影光學元件(deep ultraviolet light,深紫外光)使用波長為365、248和193奈米不可見紫外線光譜中的光。過去50年來,蔡司半導體進一步縮短了光線的波長,並提升了解析度,以因應更小結構和更強大的晶片。身為技術領先者,我們提供最先進的乾式DUV微影(Dry DUV)和浸潤式DUV微影(DUV Immersion)系統,並積極開發新產品,以形塑未來。

  • 光源、照明系統、光罩、投影光學元件和晶圓是DUV微影系統的核心元件:汞蒸氣燈或專門的氣體雷射,即所謂的準分子雷射,會產生紫外線波長範圍的DUV光。蔡司半導體透過其光學模組部門提供準分子雷射的光學元件。這些光學元件必須能承受高強度和低波長的光。資訊-類似晶片的藍圖-位於投影光罩上。蔡司半導體的光學系統使用DUV光將圖案投影在縮小四倍的矽晶圓上。這使得DUV微影系統有如「倒置的幻燈片投影機」。

  • 無論是汽車、智慧型手機、智慧型冰箱或電腦,在我們的數位生活與工作環境中,幾乎所有裝置都含有晶片,如果沒有DUV技術,根本無法製造這些晶片。這項技術既具備經濟效益又功能強大,晶片製造商繼續使用各種DUV波長-193、248和365奈米-來製造晶片的大多數光罩層,甚至連採用EUV技術製造的晶片,大多數的IC層(積體電路)也是以DUV技術為基礎。全球約80%的晶片都是使用蔡司光學元件和我們的策略合作夥伴艾司摩爾的微影機所製造的,而其中大部分-超過95%-使用DUV光。這使得蔡司成為市場領導者,為半導體產業樹立標竿。

  • 由於日益數位化和未來趨勢之故(如:物聯網、人工智慧和智慧城市),晶片的需求也持續急遽增加。晶片在應用上必須堅固耐用,製造方面也必須符合成本效益。拜成熟且已廣泛應用的DUV技術之賜,這一切成為可能。該技術可以滿足市場需求,特別是基礎晶片,先進晶片在製程中須結合EUV和DUV微影技術。現今以及未來,高階晶片的大多數光罩層在製造時都會使用來自「乾式」系統(DUV dry)的DUV光。做為數位化時代的驅動力,DUV、EUV和High-NA EUV微影技術將彼此互補,持續並存。

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