
蔡司的EUV微影光學
數位化時代的新光源
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。利用13.5奈米極短波長的光線所製造的晶片結構比人類頭髮還精細5,000倍,因此蔡司半導體的EUV微影光學元件(德國未銷售)被使用於晶片製程中。EUV技術將突破極限,實現下一個技術突破,諸如自動駕駛、人工智慧和5G等未來趨勢,進一步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便會翻倍,蔡司半導體在過去50年來持續且成功地克服挑戰。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年榮獲由德國總統史坦麥爾(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。

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;目前先進微影製程使用「深紫外光」(DUV),波長為193奈米,可製造40奈米的結構;EUV微影技術則使用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-其功率約為能切割1公分厚度鋼板的傳統工業雷射的兩倍-這是全世界最強的脈衝式工業雷射,但雷射本身還不足以產生極紫外光。

極紫外光的產生方式
為產生EUV光,艾司摩爾和創浦協同設計了一種獨特的光源。每秒鐘會有50,000滴錫滴由艾司摩爾開發的電漿體射入真空室內,緊接著錫滴會在真空室內被創浦公司高功率二氧化碳雷射的兩道連續脈衝擊中;首先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度的高溫,該溫度比太陽表面平均溫度還高近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曝光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);想像將EUV鏡面放大到與德國相同面積,則該鏡面上的最大不平整處-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
製作鏡面時,只有數個原子厚度的矽、鉬鍍膜被交互蒸鍍在玻璃表面上,最終共有多達100層鍍膜疊加在一起,但每層只能反射約百分之一的光線-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原子級精度的獨特鍍膜系統,該系統的每層鍍膜厚度只有幾奈米,總體可以反射率高達70%的可用光;這是結構性干涉的結果:當EUV光被各層反射並精準地疊加在一起時,光會由於個別光波的完美疊加而被放大。
直達月球的精準度
由於鏡片在曝光過程中必須精確地定位,因此我們需要全新的機電整合概念來達成最佳的傾斜穩定性。成果就是最好的證據,如果我們藉由一個EUV鏡片能將雷射光束轉向對準月球,這道光將能擊中月球表面上的一顆乒乓球。

Mirrorblock可精準定位晶圓
Mirrorblock是晶圓載台的一部分,為晶圓和光學感測器提供精確的支撐結構,讓晶圓在曝光時能精準對齊光罩和投影光學元件。儘管曝光機內部有溫度和高動態應力的影響,Mirrorblock還是能幾近完美地維持其形狀。

微影製程:有如幻燈片投影機
和幻燈片投影機一樣,光線會穿過帶有藍圖(樣板)的光罩;但不同的是,他並不是放大,而是縮小圖型,藉此將結構成像在塗了一層感光光阻劑的晶圓上並以蝕刻方式移除曝光的部分,接著在蝕刻後產生的區域內填充銅,進行晶圓拋光,然後再塗一層矽和光阻劑膜-重新開始微影製程。如此反覆進行上述步驟,多達上百次,最終處理好的晶圓會被切割成許多小塊,這時晶片就完成了。
晶片的製造-採用蔡司光學元件
常見問題
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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。
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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。
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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。