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《TEEN系列講座》演講紀錄 :微影之趣

微影之趣

Speaker: 林本堅

講者經歷:

林本堅院士是工業研究院院士、美國工程院院士和中央研究院院士,也先後在IBM和台積電擔任部經理及資源處長等重要職位,也囊括了台積電創新獎、IBM發明獎等傑出獎項。鑽研微影技術近半世紀。

演講內容:

  微影是一個半導體科技裡非常重要的階段,半導體製程中,每一步都要經過微影,用來決定元件的大小,需要光學、材料、電子學、精密工程、物理、數學等等的知識,微影也和化學有關係,因為做蝕刻時,要考慮流體力學或是液體特性才可以把蝕刻做好。微影技術極其複雜,想要學好微影的技術必須具備好學心、創意、堅持和動力,才可以將如此精密的技術學的通透。由於微影技術是相當複雜的一項技術,因此探討微影技術的過程可以帶給人極大的成就感和樂趣。

  Moore’s Law是一項從1970年代開始對於半導體密度的預測,Moore’s Law的精神其實是預測了半導體的performance成長

  經歷經了將近40年的奮鬥,半導體的大小從5um降至到5nm,縮小了將近1000倍,相較於半導體的大小,光波卻沒有縮短很多,只縮小了2倍多,只從原本的436nm縮短到193nm,而微影技術彌補了光波的不足,讓半導體的縮小程度不受到光波長的影響,由此可見微影的重要性。

  頭髮的直徑是80um,對於40年前5um的半導體來說,可以放256個,到了2008年半導體的大小降到了28nm,現在則是到了7nm

  元件有各自的pattern,有瘦一點的、有胖一點的、有轉彎的部分,碰到折角就必定會圓掉,在看似容易達成的10%誤差內,要如何克服這些難題,都是微影技術需要考慮的事情。由於元件的大小會控制線寬落地的地方,所以微影的責任就是把所有的邊控制在10%誤差內。

Resolution之於微影如同Maxwell equation之於電磁學或是Schrödinger equation,resolution最常用的公式為,波長、角度都控制著resolution,現在的鏡頭都有20幾到30幾片鏡片,都比人還要高。

  做半導體都需要從液體裡拉出結晶,也需要把結晶的分向定出來,看是要8吋或是12吋,然後切成一片一片,然後再打磨的很光滑,磨的愈光滑愈好,磨平後交給微影。

 

  

  微影會先疊上Thermal Oxide,也就是gate的部分,所以必須磨的很薄而且非常的緊密,Thermal Oxide之上再加上一層Nitride,Nitride之上再加上光阻層,沒有被光阻層阻擋的部分,也就是曝光的部分會被洗掉或是不洗掉。有兩種光阻,一個是正光阻另一個是負光阻,兩者皆各有優缺,Positive resists(正光阻)是將遮住的部分洗掉,需要曝光時間較長,也刻的比較深,所以wafer的cost就愈大, negtive resists(負光阻)則是洗掉沒有遮住的部分。蝕刻的方法也有2種,也是個有優缺點。

目前Critical layer有10幾到20層,加上Non-critical layer有幾十層,第一層只要管pattern的大小就好,但是第二層開始要管有沒有match,才可以好好疊上去,使元件發會應有的功能。

若是以一個7nm半導體來說,第二層的大小可能需要變成是第一層的1/3,也就是說,第二層的大小可能只有2nm,容許誤差只剩0.2nm,這樣的大小對於微影視很大的挑戰。

從光學的角度來看,曝光之後的元件的角角會變圓,長度會縮短,寬度會受到別人的吸引而加寬,這些誤差都會因為環境的各種因素而來,再加上容許誤差很小,所以對於各種環境參數都需要量的很準。

太小的元件在曝光之後可能會消失,或者兩個並列在一起的元件可能會因為互相吸引的關係,所以寬度增加,因此根據曝光出來的結果,在一開始設計的時候就應該彌補這些誤差,在會縮小的地方在曝光時要記得畫大一點,會加長的布放應該要記得畫小一點,如此才可以彌補誤差的問題。

每一個Mask會有很多個die,mask中間可以切割分成小小的die,通常每一個mask都會有一些deffect,但是大的die如果有deffect,會造成良率大幅的下降,所以一片wafer上要儘量放多一點的die,這樣當deffect出現的時候,cost才不會急遽的上升。

作微影的時候有誤差就要去解決,有各式各樣的誤差,像是旋轉、縮小等等的誤差,這些誤差可以藉由量測、和解error equation去知道,通常會產生6個方程式。但是無法量的很準,所以取不到精準的參數放進error equation,所以就量很多點,產生很多方程式,再用least mean square method簡化成6個方程式,算出error equation的解。但是量又很花錢,所以還是盡量減少需要量測的點來讓cost降低。

減少K1,顯微鏡的k1(0.8~0.28)是0.61,

可以先把DOF和resolution畫出來,這樣就可以一次考慮兩邊的tradeoff,藉以調整所需要的resolution。若是DOF沒動但是resolution降低,可能是因為光罩和晶片之間有震動,所造成的誤差增加,或是因為鏡頭上有髒東西,所以resolution下降,這種時候就要靠磨薄鏡頭的表面來解決,又或者因為光經過鏡片從晶片上反射會來之後,產生了角度差,而導致image的誤差,這些都是需要解決的問題。

利用phase shift可以將resolution增加,而AltPSM的技術可以使電場產生180度的phase shift,這樣就可以讓resolution變成2倍。而Attenuated PSM也可以產生180度的phase shift,也是現在大多數的人在用的技術,或者也可以用Off-Axis illumination的技術,產生double frequency和phase shift,這項技術也是大部分的人在用的一項技術。也可以在鏡頭與鏡片之間區填充一層水,來增加影像清晰度,但是要防止水漏掉的可能性,也不能因為動太快而產生漩渦或是產生氣泡,要不然也會影響到影像的清晰度。

 

Q&A

Q1.

   Immersion用水,有沒有其他的東西替代?

A1.

   水很容易洗掉、便宜、晶片也不怕水,其他的很容易汙染,可能會破壞晶片,也會使顯微鏡的解析度下降,顯微鏡的鏡片可能做不出來,要不然就是很貴,也做得不好。


 

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