一名員工正在處理蔡司半導體EUV照明系統
EUV微影技術

蔡司的EUV微影光學

數位化時代的新光源
蔡司半導體EUV微影技術可實現未來科技。EUV領域的半導體製造可透過數位化的發展實現自動駕駛。

未來之光

1970年,晶片上可容納約1,000個電晶體。如今,在僅比指尖稍大的面積上就有570億個(半導體)元件。晶片顯示的結構比人的頭髮精細5,000倍,是利用13.5奈米極短波長的光線所製造。為達此目的,晶片製程使用蔡司半導體的EUV微影光學元件(德國未銷售)。EUV技術將突破技術極限。實現下一個技術突破。實現自動駕駛、人工智慧和5G等未來趨勢。實現數位化生活和工作環境。  

更小、更強大、更節能

電晶體是製造晶片的重要元件。電腦晶片上這類切換的單位數量越多,處理器就越強大。而且這樣的發展趨勢非常迅速。1965年,英特爾共同創辦人高登.摩爾提出著名的摩爾定律,根據該定律,晶片上的電晶體數量每隔兩年會翻倍。蔡司半導體成功戰勝了超過50年來一直面臨的挑戰。2019年,蔡司半導體與策略合作夥伴艾司摩爾、創浦公司、弗勞恩霍夫協會光學與精密工程研究所以及約1,200個其他合作夥伴攜手合作,完成了進一步的技術躍進。使摩爾定律得以延續:EUV微影技術。這項成果於2020年榮獲德國總統史坦麥爾(Frank-Walter Steinmeier)頒發德國技術未來獎。

EUV微影技術榮獲德國技術未來獎

我們和創浦公司以及弗勞恩霍夫協會光學與精密工程研究所共同獲得2020年的德國技術未來獎。
  • 這支影片是專為德國電視台所製作,因此只有德文版。

    來源:ZDF
從可見光到極短波長的光譜資訊圖表
從可見光到極短波長的光譜資訊圖表

更短、更準確、更精細

EUV是「極紫外光」的英文縮寫。人眼可見光的波長介於400和800奈米之間。紫外光的範圍則為400奈米以下。目前領先的微影製程使用「深紫外光」(DUV),波長為193奈米。可製造40奈米的結構。EUV微影技術使用13.5奈米極短波長的光線。可製造小於20奈米的結構。

全世界最強大的脈衝式工業雷射

要產生這種波長的光線,需要特殊的光源。首先是創浦公司的高功率CO2雷射器。該雷射器具備30千瓦的功率-約為能切割1公分厚度鋼板的傳統工業雷射的兩倍-這是全世界最強大的脈衝式工業雷射。但雷射器本身還無法產生極紫外光。

  

雷射球形的EUV射線

極紫外光的產生方式

為產生EUV光,艾司摩爾和創浦設計了一種獨特的光源。在艾司摩爾開發的電漿源中,每秒鐘會有50,000滴錫滴射入真空室內。錫滴會在真空室內被創浦公司高功率CO2雷射發出的兩個連續脈衝擊中。第一道脈衝會打中錫滴,使錫滴膨脹。隨後的第二道主脈衝再以全功率擊中錫滴。這會點燃錫電漿,進而產生EUV射線。為產生EUV光,電漿必須加熱到幾近攝氏220,000度的溫度。該溫度比太陽表面平均溫度高達近40倍。

極精密光學元件

由於極紫外光會被所有材料吸收-包括空氣,因此蔡司半導體設計了一套專用於EUV微影機的光學系統。這套光學系統由曲面鏡組所組成,會在真空室內操作。即使是最細微的不規則也會導致成像錯誤。因此,蔡司半導體為EUV微影機開發了全世界最精密的多層鍍膜鏡片(即所謂的布拉格反射鏡)。如果將EUV鏡片放大到德國面積大小,則該面積上的最大不平整處-或以德國的楚格峰為例-就只有約0.1公釐的高度。

優異的鍍膜

在玻璃表面蒸鍍上極薄的矽和鉬鍍膜層-只有數個原子層的厚度。共有多達100層鍍膜疊加在一起。單層只能反射百分之一的光線-損失太大。為提高鏡片的效率,蔡司半導體與弗勞恩霍夫協會光學與精密工程研究所共同開發了一套需要原子等級精準度的獨特鍍膜系統。鍍膜層厚度只有幾奈米,反射率高達70%的可用光。這是透過結構干擾達成的:EUV光會被各層反射。當光波精準地疊加在一起時,由於個別輻射波完美疊加,因此光線就會放大。

  

  

精準瞄準月球

由於鏡片在曝光過程中必須精確地固定就位,因此為達最大的傾斜穩定性,需要全新的機電概念。結果不言而喻。如果其中一個EUV鏡片能將雷射光束轉向,然後對準月球,也能擊中月球表面上的一顆乒乓球。 

蔡司半導體的員工正在無塵室內清潔EUV鏡片區塊

鏡片區塊可精準定位晶圓

鏡片區塊是晶圓平台的一部分,具有精準製造的晶圓和光學感測器支撐結構。可使晶圓與光罩和投影光學元件精確對齊,以進行晶圓曝光。儘管晶圓掃描器內有熱負載和高度動態壓力,鏡片區塊還是能幾近完美地維持其形狀。

EUV微影程序的運作有如倒置的幻燈片投影機

微影程序:有如幻燈片投影機

和幻燈片投影機一樣,光線會穿過設有藍圖(樣板)的光罩。但不是變大,而是縮小。藉此將結構成像在塗上一層感光光阻劑的晶圓上。下一步驟是以蝕刻方式移除曝光的部分。空餘的區域填充銅,然後進行晶圓拋光。然後再塗一層矽和光阻劑膜-再重新開始微影程序。如此反覆進行上述步驟,最多達100次。最後,處理好的晶圓會被切成許多小塊。這時晶片就完成了。

晶片的製造-採用蔡司光學元件

High-NA EUV技術

有望見證下一個技術突破
High-NA EUV鏡是蔡司半導體EUV微影技術的一部分-無塵室視角

角度加大,更強大

新世代已然誕生。

蔡司半導體開發了孔徑角度加大的High-NA EUV微影光學元件(NA = 數值孔徑)。因此,解析度再次大幅提升-且晶片上的電晶體密度也增加了三倍。這也進一步延續了摩爾定律。

2020年德國未來獎的標誌
歐洲合作專案

2020年德國未來獎

超過30年的研究和開發:持之以恆的努力得到回報:2020年,德國總統史坦麥爾(Frank-Walter Steinmeier)頒發德國技術未來獎給蔡司半導體、創浦公司和弗勞恩霍夫協會光學與精密工程研究所合力開發的EUV技術。

EUV技術亮點

蔡司半導體的EUV微影光學元件:德國未銷售
  • 蔡司半導體光學EUV系統包括一個照明系統

    照明系統

    蔡司半導體的光學EUV系統一方面包括該照明系統。在該照明系統中,EUV光會轉換成適當的照明,將結構投影在光罩上。該照明系統是由15,000個部件組成,總重為1.5噸。

  • 投影光學元件屬於蔡司半導體光學EUV系統的一部分

    投影光學元件

    另一方面,光學EUV系統還包含投影光學元件-含六個鏡片。這是全世界最精密的鏡片,可將奈米範圍的光罩結構成像到塗佈光阻劑的晶圓上。這需要總重2噸約20,000個零件。

  • 蔡司半導體EUV鏡片區塊的產品圖片

    鏡片區塊

    鏡片區塊是晶圓平台的一部分,具有精準製造的晶圓和光學感測器支撐結構。因此,鏡片區塊可使晶圓與光罩和投影光學元件精準對齊,以進行晶圓曝光。儘管晶圓掃描器內有熱負載和高度動態負載,鏡片區塊還是能幾近完美地維持尺寸穩定性。

常見問題

  • 微影系統利用光線在薄矽晶圓上製造數以億計的微小結構。這些結構形成積體電路,或稱晶片。晶片製造商能在晶片上放置的結構越多,晶片的速度越快,功能越強大。蔡司半導體製造科技能協助全世界的晶片製造商生產更小、更節能的晶片。極紫外光微影(EUV)透過使用比以前的微影機(最短波長193奈米)更短波長(13.5奈米)的光線,實現此一目標。

  • 微影系統基本上就是幻燈片投影機,將要轉印的圖案藍圖(稱之為「光罩」)利用EUV光(波長13.5奈米)照亮。然後,投影光學元件將圖案聚焦在塗佈感光光阻劑的矽晶圓上。未曝光的部分隨後會以蝕刻方式移除,顯露出圖案。此圖案最後用於製造微結構。
    EUV光會被材料(甚至空氣)吸收,因此,EUV系統設有一個大型的真空室,光線在真空室中由反射鏡片引導。EUV系統利用創浦公司的高能量CO2雷射器來產生光線。該雷射器會產生錫電漿,並發射出EUV光。產生的光線透過蔡司的EUV收集鏡聚焦在EUV光束內。

  • 半導體產業是全球最具創新的產業之一,推動人工智慧、虛擬實境、醫療保健應用、自駕車或物聯網等各種趨勢。這需要透過更具成本效益、更節能、更強大的晶片來提供運算能力。為生產這些超級晶片,必須在更狹小的空間裝載更多的電晶體。之前半導體製程使用的光線波長太長,無法達到此目的。因此,現在許多半導體公司仰賴使用極紫外光(EUV波長13.5奈米)的新一代機器來生產晶片。EUV微影技術可製造更精細的結構,因此可生產更強大的晶片。

  • 除了DUV技術,EUV技術也在進一步發展,可提升精準度。在更高的數值孔徑(High-NA)和多重圖案分佈技術的協助下,這項技術目前可滿足半導體產業(摩爾定律)未來十年內對更小結構的需求。為因應未來的需求,蔡司秉持著「Seeing beyond-突破眼界 超越極限」的企業文化,致力於研究各種方案,以在未來延續摩爾定律。

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