一名員工正在處理蔡司半導體EUV照明系統
極紫外光微影

蔡司極紫外光微影光學

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 年時一枚晶片僅能容納約 1,000 個電晶體,如今面積僅略大於指尖的晶片上已能容納 570 億個(半導體)元件。晶片上之結構比人類頭髮細微 5,000 倍,其製造過程使用僅 13.5 奈米的極短波長光源;​因此,製程採用蔡司半導體極紫外光微影光學元件(德國未銷售)。極紫外光技術正不斷突破技術可能性的極限,為下一個技術突破鋪路。​諸如自動駕駛、人工智慧與 5G 等未來趨勢,進一步實現數位化生活和工作環境。

更微型、更強大、更節能

電晶體是製造晶片的關鍵元件,電腦晶片內含的切換單元越多,處理器效能就越強大。這項技術發展日新月異。1965 年,英特爾共同創辦人高登.摩爾提出以他命名的摩爾定律,根據該定律,晶片上的電晶體數量每隔兩年便會成長兩倍。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、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。這項成就使摩爾定律得以延續:極紫外光微影。這項成果於 2020 年榮獲由德國總統史坦麥爾(Frank-Walter Steinmeier)頒發的德國未來獎。

極紫外光微影技術榮獲德國未來獎

蔡司半導體與創浦和弗勞恩霍夫協會攜手贏得 2020 年度大獎
  • 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、更細、更精密

EUV 是「極紫外光」的英文縮寫。人眼可見光的波長介於 400 至 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),其運作波長為 193 奈米,可製造 40 奈米的結構。極紫外光微影技術則使用 13.5 奈米極短波長的光源,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器

要產生這種波長的光線,需要特殊的光源。首先是創浦的高功率 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兩倍-這是全世界最強的脈衝式工業雷射器。但雷射本身還不足以產生極紫外光。

雷射球形的EUV射線

極紫外光的產生方式

為產生極紫外光,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 顆錫滴,由艾司摩爾開發的電漿體射入真空腔室,緊接著,錫滴會在真空腔室內,被創浦高功率 CO2 雷射的兩道連續脈衝擊中。首先,第一道脈衝會打中錫滴,使錫滴產生圓餅狀膨脹,隨後的第二道主脈衝再以全功率擊中錫滴,進而產生極紫外光射線。為產生極紫外光,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,因此蔡司半導體為極紫外光微影機研發了一套光學系統。​這套光學系統由曲面鏡組所組成,可在真空腔室內操作。即使是最細微的不規則也會導致成像錯誤,因此蔡司半導體為極紫外光微影開發了全世界最精密的多層鍍膜反射鏡(即所謂的布拉格反射鏡)。若將此極紫外光反射鏡放大至與德國相同面積,則該鏡面上的最大不平整處-以德國最高之楚格峰為例-就只有約 0.1 公釐的高度。

優異的鍍膜

只有數個極薄的原子厚度的矽、鉬層透過氣相沉積法沉積於玻璃表面,最終共有多達 100 層鍍膜疊加在一起,但每層只能反射約 1% 的光線-損失太大。為提高鏡片效率,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,每層厚度只有幾奈米,總體可以達到反射率高達 70% 的可用光。此效果源於結構性干涉:每層薄膜分別反射極紫外光。當極紫外光被精密地疊加在一起時,光會由於個別輻射波的完美疊加而被放大。

直達月球的精密度

由於鏡片在曝光過程中必須精密定位,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,如果我們藉由一個極紫外光鏡片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。

蔡司半導體的員工正在無塵室內清潔EUV鏡片區塊

Mirrorblock 可精密定位晶圓

Mirrorblock 是晶圓載台的一部分,為晶圓和光學感測器提供精密的支撐結構,讓晶圓在曝光時能精密對準光罩和投影光學元件。儘管曝光機內部有高溫和高動態應力的影響,Mirrorblock 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,圖樣並不是被放大,而是縮小,藉此將結構成像在已塗佈光阻層的晶圓上。在下一步驟中,以蝕刻方式移除曝光的部分,在蝕刻後產生的區域內佈線,進行晶圓拋光,然後再塗一層矽和光阻劑-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方塊,晶片於焉製成。

晶片的製造方式-採用蔡司光學元件

高數值孔徑極紫外光技術

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

更大角度,更強效能​

新世代已然誕生

蔡司半導體開發了孔徑角度更大的 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。這項成就使摩爾定律得以進一步延續。

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)頒發德國未來獎給蔡司半導體、創浦和弗勞恩霍夫協會光學與精密工程研究所合力開發的極紫外光技術。

極紫外光技術亮點

蔡司半導體極紫外光微影光學元件: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

    蔡司半導體的極紫外光光學系統,一部分為照明系統。在照明系統中,極紫外光會被轉化為適當的照明條件來搭配光罩結構。整個照明系統由一萬五千個部件組成,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

    極紫外光光學系統中的另一個部分是投影光學元件 – 由六面鏡片組成。 這是世界上最精密的鏡組,可將奈米尺寸的光罩結構成像在塗佈光阻的晶圓上。整個投影光學系統由約兩萬個部件組成,總重達 2 噸。

  • 蔡司半導體EUV Mirrorblock的產品圖片

    Mirrorblock

    Mirrorblock 是晶圓載台的一部分,為晶圓和光學感測器提供精密的支撐結構,讓晶圓在曝光時能精密對準光罩和投影光學元件。儘管曝光機內部有高溫和高動態應力的影響,Mirrorblock 還是能幾近完美地維持其形狀。

常見問題

  • 微影系統利用光線在薄矽晶圓上製造數十億個微型結構,​這些結構共同構成了積體電路,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一種幻燈片投影機,將要轉印的圖案藍圖(稱之為「光罩」)利用極紫外光(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。
    極紫外光會被材料(甚至空氣)吸收,因此極紫外光系統設有一個大型的真空腔室,光線在真空室中由反射鏡片引導。極紫外光系統利用創浦的高能量 CO2 雷射器產生光線,該雷射器會產生錫電漿並發射出極紫外光。產生的光線透過蔡司的極紫外光收集鏡聚焦在極紫外光束內。

  • 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、更節能且更強大的晶片提供運算能力。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(波長 13.5 奈米)的新一代機器來生產晶片。極紫外光微影技術可製造更精細的結構,因此可生產更強大的晶片。

  • 除了深紫外光技術,極紫外光技術也在進一步發展,可提升精密度。在更高的數值孔徑(High-NA)和多重曝光技術的協助下,極紫外光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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