半導(dǎo)體工業(yè)在光學(xué)微影技術(shù)的幫助下，長(zhǎng)期形成持續(xù)且快速的成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但光學(xué)微影在面對(duì)更精密的制程已開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)用瓶頸，尤其在小于0.1微米或更精密的制程，必須使用先進(jìn)光學(xué)微影或非光學(xué)微影術(shù)予以克服…
    早期半導(dǎo)體工業(yè)在光學(xué)微影技術(shù)(Optical Lithography)支持下，不僅可以持續(xù)改善集成電路的元件特性，單一元件的集積度大幅提升，不僅使制造成本壓低，也讓產(chǎn)品的性能持續(xù)提升，但光學(xué)微影技術(shù)畢竟有其使用限制，尤其在面對(duì)更微小的線路制程需求時(shí)，就會(huì)有其使用瓶頸與限制產(chǎn)生，這時(shí)非光學(xué)微影術(shù)逐漸受到重視，甚至成為半導(dǎo)體未來(lái)跳躍性發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。
    微影術(shù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)
    微影術(shù)(Lithography)可以說(shuō)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，集成電路、半導(dǎo)體之所以得以快速發(fā)展，芯片功能越來(lái)越多、單價(jià)卻越來(lái)越便宜，說(shuō)是歸功于微影術(shù)的幫助可以說(shuō)是一點(diǎn)都不為過(guò)，尤其是芯片的復(fù)雜規(guī)模已經(jīng)自LSI(large-scale integrated circuit，單一元件內(nèi)達(dá)到1,000個(gè)以內(nèi)的邏輯閘)，擴(kuò)展至VLSI(very large-scale integrated circuit，單一元件內(nèi)達(dá)到1萬(wàn)個(gè)以內(nèi)的邏輯閘)，甚至達(dá)到集積100萬(wàn)個(gè)邏輯閘的ULSI(ultra large scale integrated circuit，單一元件內(nèi)達(dá)10萬(wàn)個(gè)以內(nèi)的邏輯閘)的集積度水平，而在面對(duì)越來(lái)越多邏輯閘的集成需求，原有的制程技術(shù)已經(jīng)受到極大挑戰(zhàn)。
    集成電路IC制程的關(guān)鍵技術(shù)，即微影技術(shù)，也是半導(dǎo)體制作流程中最關(guān)鍵的核心技術(shù)，以存儲(chǔ)器DRAM(Dynamic Random Access Memory)集成電路元件為例，分析每個(gè)世代的DRAM產(chǎn)品大約僅能因應(yīng)市場(chǎng)需求約2至3年，而每個(gè)晶粒(Die)的尺寸越小，代表著單一晶圓可以容納的芯片(Die)數(shù)越多，為持續(xù)保有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，DRAM產(chǎn)業(yè)的Die單位面積則是以每年以25%~30%尺寸縮減速度進(jìn)行，不僅芯片的體積逐年遞減，單位晶圓可以切割的芯片數(shù)也正持續(xù)增加。
    從實(shí)際的產(chǎn)品檢視發(fā)現(xiàn)，DRAM自256K進(jìn)步到1M DRAM，光是設(shè)計(jì)規(guī)則就能縮小0.6~0.7倍水平，而這個(gè)進(jìn)展趨勢(shì)隨著容量增加微縮體積比例也越來(lái)越大，但微縮比例也在64M、256M DRAM逐步出現(xiàn)微縮比例趨緩現(xiàn)象。
    集成電路持續(xù)挑戰(zhàn)硅晶物理極限
    而終端元器件單位體積持續(xù)趨近物理極限后，芯片業(yè)者為了持續(xù)保有成本優(yōu)勢(shì)，隨即往單片晶圓的面積擴(kuò)大方面著手，透過(guò)單片晶圓面積上的擴(kuò)展，保有單批產(chǎn)量在Die數(shù)量上的成長(zhǎng)極限。但利用單晶圓尺寸的擴(kuò)張，也頂多僅能治標(biāo)而無(wú)法治本，為了保有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)成長(zhǎng)的動(dòng)力，半導(dǎo)體業(yè)者被迫需要投入更多資源，進(jìn)行加速或升級(jí)現(xiàn)有微影技術(shù)的制作方案。
    在不同微影技術(shù)方中，其中光學(xué)微影術(shù)是最重要的項(xiàng)目，因?yàn)楣鈱W(xué)微影術(shù)的成本效益佳，也最適合集成于半導(dǎo)體的量產(chǎn)加工應(yīng)用需求，光學(xué)微影術(shù)制程與設(shè)備相關(guān)進(jìn)階改良也持續(xù)進(jìn)行，即使在其它新穎制程正積極被開(kāi)發(fā)、集成下，先進(jìn)光學(xué)微影技術(shù)仍會(huì)在半導(dǎo)體業(yè)界中維持其關(guān)鍵地位。目前光學(xué)微影在因應(yīng)0.18微米制程需求仍算游刃有余，但若再持續(xù)微縮化發(fā)展，光學(xué)微影技術(shù)也會(huì)有其應(yīng)用極限。
    光學(xué)微影會(huì)躍升為半導(dǎo)體制程主流的原因在于，光學(xué)微影可應(yīng)用于大量生產(chǎn)、制造，且有速度快、分辨率佳、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，是其它微影或進(jìn)階微影制程所難以望其項(xiàng)背的。但在持續(xù)往高分辨率、高集積度的制造需求移動(dòng)時(shí)，則必須考量其它非光學(xué)微影術(shù)才能達(dá)到的超高分辨率表現(xiàn)，例如電子束微影術(shù)(E-beam lithography system)、X光微影術(shù)(X-ray lithography system；XRL)、離子投影術(shù)(Ion Beam Projection lithography system；IPL)，與極短紫外光微影術(shù)(EUV lithography system)等。
    電子束曝光技術(shù)
    電子束曝光技術(shù)可處理小于0.1微米分辨率的制作需求，早期受限于設(shè)備較昂貴、產(chǎn)量低等問(wèn)題，使得電子束微影術(shù)無(wú)法如同光學(xué)步進(jìn)機(jī)這樣進(jìn)行集成電路芯片的大量生產(chǎn)。
    電子束微影術(shù)通常被用在開(kāi)發(fā)新世代產(chǎn)品用途，而電子束曝光技術(shù)不需光罩、可節(jié)省光罩成本優(yōu)勢(shì)，在0.18、0.15微米以下制程有其使用效益。此外，電子束曝光技術(shù)相較深紫外光微影術(shù)使用的相位轉(zhuǎn)移光罩(phase shift mask；PSM)與光學(xué)近接效應(yīng)的修正型光罩(Optical proximity correction；OPC)，有制作困難度低、成本相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì)，電子束微影術(shù)已成為半導(dǎo)體制程進(jìn)化的重要選項(xiàng)之一。
    但電子束曝光術(shù)仍有生產(chǎn)速度較慢的問(wèn)題，目前電子束曝光術(shù)較廣泛使用在新穎的研發(fā)元件生產(chǎn)應(yīng)用上，例如針對(duì)Gate及contact hole的曝光處理等，未來(lái)若要真正在大量生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)入電子束曝光術(shù)，則需要在產(chǎn)速上進(jìn)行更大的技術(shù)突破。
    X光微影技術(shù)
    X光微影技術(shù)則不同于一般微影技術(shù)，X光微影技術(shù)使用光源為波長(zhǎng)較短的微影處理，實(shí)際為應(yīng)用近接式(proximity) 1:1曝光形式進(jìn)行處理，尤其是同步輻射之X光在光學(xué)特性上為幾乎平行、無(wú)聚焦景深與分辨率問(wèn)題。
    X光微影的投射光源均為自同步輻射光源引出，搭配多層光學(xué)反射鏡與光學(xué)濾鏡處理得到其特殊波長(zhǎng)，但一般光罩并無(wú)法有效地讓X光穿透，X光使用的光罩為由特殊材質(zhì)作為光罩基板與重金屬作為X光吸收劑，搭配X光步進(jìn)機(jī)控制搭配光罩的圖形進(jìn)行一比一形式將線路移轉(zhuǎn)至硅芯片之上。而由于X光微影術(shù)為使用近接式曝光，曝光分辨率由光之波長(zhǎng)、光罩與硅芯片間之Gap決定，為達(dá)到0.13微米或更高的分辨率能力，難度也因此大增。
    X光微影術(shù)較大的問(wèn)題是，無(wú)法以縮小投影型式進(jìn)行曝光，而生產(chǎn)光罩即須要搭配極高精確度的處理，甚至光罩生產(chǎn)過(guò)程需要以高于晶圓曝光過(guò)程更高的精確度，透過(guò)生產(chǎn)高質(zhì)量光罩搭配X光微影術(shù)才能發(fā)揮進(jìn)階制造效益。目前因?yàn)榇钆涫褂玫墓庹旨夹g(shù)仍有相當(dāng)多瓶頸須克服，即便如此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍對(duì)X光微影術(shù)寄予厚望。
    離子投影術(shù)
    離子投影術(shù)為歐洲重點(diǎn)研究的集成電路制程方法，為利用離子束進(jìn)行投影式微影處理，制作過(guò)程中需搭配Stencil Mask遮擋不需離子束照射的部份，但由于離子入射會(huì)因Stencil Mask鼓膜材質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象，導(dǎo)致其制作分辨率降低，不過(guò)近年來(lái)已針對(duì)分辨率提升發(fā)展通道式Stencil Mask，使其射入之離子降低散射角度。
    但離子投影制程也頗多問(wèn)題尚待解決，例如，Stencil Mask本身產(chǎn)生的熱效應(yīng)須在制造過(guò)程搭配冷卻循環(huán)裝置，形成系統(tǒng)趨于復(fù)雜；而離子投影術(shù)每次曝光的面積很大，在生產(chǎn)時(shí)有速度快、產(chǎn)能高優(yōu)勢(shì)，只適合大量生產(chǎn)。
    EUVL極短紫外光微影術(shù)
    EUVL極短紫外光微影術(shù)為運(yùn)用雷射通入Xe氣體所產(chǎn)生的光線，光的波長(zhǎng)約為13nm，制程曝光需在真空下進(jìn)行，系統(tǒng)鏡片均為反射式鏡片，所搭配的光罩與傳統(tǒng)應(yīng)用的光學(xué)光罩并不同，光罩表面需要相對(duì)高度平坦。
    紫外光微影術(shù)較大難題是需搭配defect-free、高度平坦程度的光罩基底(Mask Blank)，并搭配可檢測(cè)、修補(bǔ)光罩的設(shè)備偕同運(yùn)行進(jìn)行制程。因應(yīng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所需的高精度制程與持續(xù)維持30%的成本優(yōu)化，EUVL極短紫外光微影術(shù)可有效減少多重曝光步驟，自然可以降低晶圓的加工成本，即便設(shè)備單價(jià)高昂，仍舊吸引半導(dǎo)體廠積極投入設(shè)備投資與持續(xù)關(guān)注相關(guān)技術(shù)進(jìn)展。