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    林本堅回顧浸潤式光刻機研發芯酸歷程

    2022-06-13 12:44:53 EETOP
    編按:林本堅是臺積電前研發大將,他在2000年加入臺積電。2002年時全球投入波長157納米干式微影技術遇到瓶頸,他發表浸潤式微影技術引起轟動,卻遭干式微影技術的大公司針鋒相對,因干式微影技術的投資已遠超過10億美元。臺積電支持下,林本堅和組內的同仁寫好幾篇論文,從理論的觀點證明浸潤式微影的可行性及優勢,后來說服ASML放棄原先157納米干式微影光刻機的研發,轉向與臺積電共同開發193納米浸潤式微影機臺,讓臺積電55納米之后跳躍成長6個技術世代,更影響了半導體產業長達20年的發展,林本堅在書中描述當時的關鍵一戰。

    浸潤式微影—改變半導體業的發展方向

    浸潤式微影,從45納米的世代成為生產半導體的主流,到現在的7納米,一共經過六個世代,其中有好些曲折的經過。要微影界放棄將近10億美元的投資,改用浸潤式,終究不是一件簡單的事!

    1987年,我應邀在研討會中發表有關光學微影的論文。當時我演講的主題是有關“光學微影的藍圖,將來會碰到什么瓶頸,有什么方法突破這些瓶頸”。當光學微影的解析度提高時,景深會隨著下降;而且下降的速度會比解析度增加的速度快,遲早會碰到景深的瓶頸。我提出很多方法,并提出到了沒有其他方法時,浸潤式可以解決問題。1987年業界正要準備1000 納米的量產,我幫IBM研發兩個世代以后的技術,也就是500納米;那時還有很多方法可用,不需要浸潤式這牛刀。

    從1000 納米到750、500、350 、250、180、130、90納米,半導體業者每一代都用了一些巧妙的方法過關。到了65納米的世代,波長已縮短到193納米,鏡頭的孔徑也到了0.93,各種有創意的方法已經把同樣波長及孔徑的解析度增加了超過兩倍,很難再有突破。13.4納米的極紫外光(EUV)遙不可及(13.4納米是當時的認知,現在改正為13.5納米)。大家的希望都寄託在157納米的波長上。 

    157納米這波長很不好用。其中一個主要原因是這波長的穿透率很低,只有少數可用的介質是透明的,這波長一共有五個瓶頸需要突破:

    (1)鏡頭的材料就是一個瓶頸。唯一有希望的介質是單結晶的二氟化鈣(CaF2)??墒且龀?0–30公分大小的完美結晶非常困難。拉結晶要很有耐心,整個過程需要約90天。在這期間所需的溫度、拉速、震動、周遭的環境等都不能有任何變動。這么長的學習周期,用數百個熔爐都無法改進學習的速度。 

    (2)感光物質的穿透率及耐蝕刻性,也令發展光阻的高手傷透腦筋。

    (3)光罩的材料因二氟化鈣價錢太高, 而且不耐用, 只好用穿透率差的石英(quartz),對高準確度的成像有影響。

    (4)在光罩的聚焦區以外的平面有一層透明的護膜,作用是擋開會附在光罩上產生影像瑕疵的微粒。在157納米的波長發展不出既透明又能伸展的薄膜。用石英的硬片取代則產生無應力把硬片吸附在光罩上的難題。

    (5)因為空氣中的氧氣會吸收157納米的光,光經過的整個路徑必須只有氮氣,造成很多不便,會增加制造的成本,而且如果意外漏出太多氮氣會致命。

    2002年2月,我受邀到SPIE 的“國際微影討論會”作個全會眾出席(Plenary)的演講,其中一個要點是微影技術的下一步應該怎么走。

    我分析了157納米和13.4納米,不認為這兩個技術能及時解決問題,讓摩爾定律按進度邁進。這是我在1987年之后,再次提出浸潤式的可能性,并發表了浸潤式設備及操作的示意圖。有些聽眾聽進去了,其他的聽眾覺得浸潤式還是一個冷門的技術。

    當年的9月,有一個針對157納米的技術研討會,主持人邀請我去講浸潤式微影。他可能屬于在2月時把我的演講聽進去的聽眾;事隔7個月,想多聽一點我的想法。那天因為是157納米的研討會,大家認為我要講用浸潤式繼續推進157納米。其實我在2月還沒有提到浸潤式以前,已經說157納米很難了,把浸潤式加到157納米,不是難上加難嗎?

    在MIT林肯實驗室的兩位研究員M. Switkes 和M. Rothschild,在157納米的浸潤式液體上作了很多研究,這些液體穿透率不高,又是油性,有些還會污染晶片。他們順便也量了水的折射率,得到1.46(這是當時的數據,后來他們小心再量測得到1.44),這是在193納米波長的折射率。水在157納米波長的折射率是量不出來的,因為不透光。

    我看了1.46這數字很有感覺,因為水的折射率在一般的波長是1.3多。所以在一般波長下用水做浸潤式的介質只能改進百分之卅多,但若改成現在可用的最短波長193納米,1.46的折射率特性,水能把解析度增加46%,這太好了。水又是半導體生產線上大量使用的液體,接受度不成問題。那兩位林肯實驗室的研究員沒有注意到水,可能因為他們專心想在157納米上突破。

    我算了一下,157納米只比193納米短23%,換句話說,只能把解析度提高23%,用193納米加水可以提高46%,幾乎是兩倍。因為波長只在水中變短為132納米。光在進入水前的波長是193納米,可以避開所有157納米的困難,能改進46%,又容易被半導體業接受,真是天造之合,是上帝給半導體業的奇妙安排。這就好像上帝使冰的密度比水低,讓冰浮在水面上而使下面的水不容易結冰,這個物理現象可以保護魚類,是祂給生物界的奇妙安排。

    接著我在研討會發表用水配合193納米,能比干式的157納米多增進一世代,而且比后者容易開發。結果全場轟動。我演講后,所有交談的時間大家都在討論這個題目。更震撼的是在2004年的2月,有數千人聚會的SPIE“國際微影談論會”—就是我在2002年提到浸潤式微影的研討會—其中有一個以157納米為主題的會場,雖然有文章發表,卻沒有聽眾。193納米浸潤式微影的會場卻擠滿人。

    雖千萬人,吾往矣!

    轟動歸轟動,要說服光刻機臺的廠商研發并量產浸潤式機臺卻困難重重。問題出在全世界的研發方向都朝向157納米,不但有很多廠商和研發單位投注到這波長,而且全球對157納米的投資遠超過10億美元;單單一家光刻機臺的廠商號稱已投資超過7億多美元。他們覺得我在攪局,并想說服我的老板阻止我。幸虧蔣尚義老板很有見識,也相信我的能力,并沒有采取行動。

    我和組內的同仁必須寫好幾篇論文,從理論的觀點證明浸潤式微影的可行性及優勢,并駁斥一些錯誤的負面看法。我們也及早申請了應該申請的專利,并繼續在國際技術討論會發表論文。最重要的是必須說服廠商提供機臺。

    因此我常奔跑荷、德、美、日各地作技術和商業的交談。這樣辛苦耕耘了一年多,在2003年的10月,我們到荷蘭作技術討論時,愛斯摩爾公司(ASML)給我們看剛剛趕出來的第一片用浸潤式光刻機在光阻上的成像。當然皆大歡喜。接著臺積電和愛斯摩爾兩個公司用很多年的苦功,把機臺和制程研發到可以把浸潤式微影駕輕就熟地用在量產上。

    45納米是用浸潤式技術量產的第一代,接著在全球,40納米、32納米、28納米、20納米、16納米、14納米、10納米、7納米,都靠浸潤式的技術生產。到了2012年,臺積電總收入的47%是用浸潤式技術生產的。當年臺積電的總營收是170億美元。2016年的總營收是320億美元,浸潤式技術生產的比例想必比2012年的要高得多。2017年的第一季,愛斯摩爾的季收中,浸潤式的機臺佔74 %。我個人也因此得到公司內外的很多認可。這是上帝賜給我“眼睛未曾看見,耳朵未曾聽見,人心未曾想到的恩典”。

    本文摘錄自林本堅著作:《把心放上去:“用心則樂”人生學(增訂版)》

    圖片

    關鍵詞: 林本堅 浸潤式光刻機 光刻機

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