新一代製程的關鍵:13.5奈米的「極端」紫外光 | euv原理
■從1990年代至今,半導體界持續使用波長為248奈米和193奈米的光源製造電子元件。這段期間科學家和工程師不斷挑戰物理極限,使用相同的波長製造出更精細的元件,至今已經超過二十年。然而,半導體從1997年的250奈米節點到2018年的7奈米節點,很難再繼續微縮了。為了製作更小更快的電子元件,半導體製程需要波長越短的光線。下一個世代的半導體將會使用全新的光源:波長為13.5奈米的極端紫外光。紫外光光源因為波長短,除了用在螢光、食物殺菌和偽鈔辨識等日常應用之外,也是半導體製程重要的工具。圖片為紫外光燈泡。(source:eBay)撰文...
■從1990年代至今,半導體界持續使用波長為248奈米和193奈米的光源製造電子元件。這段期間科學家和工程師不斷挑戰物理極限,使用相同的波長製造出更精細的元件,至今已經超過二十年。然而,半導體從1997年的250奈米節點到2018年的7奈米節點,很難再繼續微縮了。為了製作更小更快的電子元件,半導體製程需要波長越短的光線。下一個世代的半導體將會使用全新的光源:波長為13.5奈米的極端紫外光。
紫外光光源因為波長短,除了用在螢光、食物殺菌和偽鈔辨識等日常應用之外,也是半導體製程重要的工具。圖片為紫外光燈泡。(source: eBay)撰文|陳奕廷
●物理極限
半導體製程的原理是「差異蝕刻」:半導體基板上被光照射的區域會發生化學變化,使其化學成分或是硬度和其他部分不同。在蝕刻的過程,硬度低的區域將消失,硬度高的區域將留下。透過這樣的過程,我們能將光罩上的電路圖形轉印到半導體材料上,製成積體電路。過去,只要將光罩的尺寸縮小,就能不斷縮小的積體電路。但是當電路尺寸小於半個光波波長時,光波發生繞射現象。儘管使用再小的光罩,產生的電路圖形停滯在大約半個光波波長,無法再繼續縮小。
這個困難早已發生在2000年初期,當時使用的光源是波長193奈米的ArF雷射。科學家和工程師使用各種方法繞過這個物理極限,包含浸潤式蝕刻和多重曝光等方法,走到了7奈米節點的今天。然而,各種巧妙的工程技術幾乎都到了盡頭,最終半導體製程還是要走向更短波長的光源。
圖一、繞射現象使半導體的微縮更困難。如圖左,光罩的大小定義了半導體中電路的大小。如圖右,若光罩尺寸持續縮小,電路會因為繞射無法繼續縮小。●極端紫外光光源:錫電漿
新的光源不能只和下一個世代的製程相容,必須考慮未來十年、二十年的半導體製程。因此,半導體界決定一口氣從波長193奈米的「深度紫外光(Deep UV, DUV)」跳到10奈米左右的「極端紫外光(Extreme UV, EUV)」。EUV光有兩種常見的產生方式:同步輻射和高能電漿。前者的設備體積太大且太昂貴,所以後者被採用。高強度的雷射(通常是CO2雷射)打在材料上的瞬間,材料被蒸發並產生高能電漿,同時放出頻段在X光和EUV之間的光波。
起初,氙是電漿材料的最佳選擇。將氙氣冷卻液...