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產業技術評析

半導體微影製程設備新興技術發展與產業觀察
發表日期:2023-01-25
作者:張雯琪(工研院)
摘要:
微影製程的目的是為了在晶圓上製作圖案,隨著半導體線寬愈做愈小,電晶體密度愈來愈高,從奈米進入埃米節點的世代,挑戰著曝光設備的極限,也造就ASML EUV的獨霸地位。

全文:

一、半導體微影製程設備的重要性

微影製程的目的是為了在晶圓上製作圖案,隨著半導體線寬愈做愈小,電晶體密度愈來愈高,從奈米進入埃米節點的世代,挑戰著曝光設備的極限,也造就ASML EUV的獨霸地位。然而除了晶圓前段製造的需求之外,在先進封裝領域,由於3D堆疊和異質整合的高密度整合元件發展趨勢,打線接合已經無法再滿足更高I/O數目的需求,因此TSV或是RDL製程的發展,讓微影機台也開始普遍運用在封裝製程上。

近年來,在前段晶圓先進製造應用上,ASML的EUV已經是很難超越的設備,幾乎讓其他廠商毫無機會;但是後段微影設備市場需求增加,漸漸有設備業者瞄準先進封裝的應用,主要競爭者包括Veeco、Onto、Canon、Nikon、EV Group、Kulicke & Soffa、Suss Microtec、上海微電子等業者。先進封裝的曝光設備光源以i-line和DUV為主,應用在Fan-out、Wafer level package、2.5D和3D IC等先進封裝技術中。

二、半導體微影製程設備的新興技術

目前最普遍的微影製程,是使用雷射光束搭配光罩進行投影製作圖案在晶圓上。但是隨著目標線寬愈來愈細,曝光機使用更先進的光學鏡組和演算法,使得最新的先進製程所需的EUV價格上看臺幣100億元。加上EUV機台運作的複雜性,以現役的NXE:3600D機型來說,每小時耗能1.32MW,平均每片晶圓耗能8.27kWh,在半導體綠色製造的趨勢和訴求之下,持續面臨減碳減排的轉型。因此在前段晶圓製造領域,微影製程開始出現一些新興技術,雖然尚未成熟,但部份技術也已經從研究階段進入驗證階段,以下詳細說明:

● 乾式光阻:目前的微影製程包括液態光阻塗佈、軟烤、曝光、烘烤、顯影等步驟。但由於曝光光束和光阻中感光材料的交互作用範圍愈來愈精細,愈來愈難控制,因此部份設備和材料商開始研發乾式光阻。此創新之方法為使用化學氣相法沉積乾式光阻,讓光束得以聚焦在緻密的光阻薄膜上,製作圖樣後續再以乾蝕刻去除光阻。這個方法的好處在於能夠降低液體光阻的浪費,也提高微結構解析度。

Lam research自2020年發表與ASML和IMEC合作成果以來,2022年6月已經與SK海力士展開合作,以乾式光阻技術幫助EUV製程提高DRAM的解析度,降低5到10倍對液態化學品的依賴之外,還能將整體製程機台的能耗降低為原本的1/2。2022年7月,Lam Research、Entegris和 Mitsubishi Chemical Group旗下的Gelest也宣布合作,以開發可應用於high-NA EUV曝光機的乾式光阻為目標,促進邏輯元件和記憶體元件的發展。

● 自組裝技術:同樣為了增加微影精確度,並降低微影製程的成本,定向自組裝(directed self-assembly,DSA)技術持續有學者鑽研開發。DSA技術是透過聚合物材料之間的排斥和吸引作用,形成定義的圖樣,目前已從實驗階段進入產線的可行性評估中,關鍵議題為缺陷的控制,投入的廠商包括半導體材料大廠Merk和曝光設備商Nikon。

前文提到,先進封裝對微影製程的依賴性增加,十幾間設備商參與競爭,除了普遍的雷射光束配合光罩投影的方法之外,這些廠商也開發出奈米壓印、雷射直寫等新興技術,以下進一步說明:

● 奈米壓印(nanoimprint lithography,NIL):此方法為透過模具和相關設備,在材料上施加壓力,再透過紫外光或加熱定義出圖樣。其優勢在於製程簡單、可應用的材料多元、不需要光罩、成本比雷射曝光低、生產快速,但缺點在於線寬精細度和大面積製作的接合、印模壽命、以及元件中各材料對光和熱的反應各異、模具上細小污染物和灰塵等問題,目前代表廠商包括EV Group、Suss Microtec和Canon。

EV Group是奈米壓印的專業設備商,有十幾年的研究歷程,其SmartNIL技術使用模具加壓於材料上,透過紫外光進行全場曝光定義出圖樣,解析度可達到40奈米的結構尺寸,在先進封裝、光學微透鏡和生物微流道元件等皆可應用。2022年EV Group推出EVG 7300機型,使用雙波長365奈米和405奈米的高功率500mW/cm2 UV LED光源運作,可支援最大12吋晶圓尺寸,對位精確度小於300奈米,曝光解析度小於10奈米(但仍與材料有關)。

Suss Microtec在奈米壓印的技術包括SCIL、SMILE和UV-NIL,目前已應用於光學元件、MEMS/ NEMS元件LED 和 VCSEL元件的生產。SCIL和SMILE都是採用軟模(soft stamp)進行壓印,最大都可支援8吋晶圓大小,其中SCIL是和Philips共同開發,主要針對大面積奈米壓印應用,可調控壓印時的壓力,解析度小於70奈米,對位精確度約正負1微米;SMILE則是應用於微米到奈米範圍內的圖樣印製。UV-NIL使用石英硬模(hard stamp),可針對1吋x1吋的面積大小進行印製,解析度可達50奈米。

Canon在前段曝光機市占率無法與ASML競爭,但在先進封裝透過開發創新的奈米壓印技術,期盼在電動車和功率半導體等微影設備市場,確立技術地位。Canon、鎧俠(KIOXIA)和大日本印刷(DNP)預估要在2025年實現奈米壓印商業化,應用於鎧俠本身的記憶體生產線上,解析度有望達到15奈米,相較於雷射曝光技術,預計可節省數百億元的設備投資,大約讓製造成本降低四成,耗電量也降低9成。

● 雷射直寫:此技術為直接透過操控雷射光束,對晶圓上的光阻進行掃描,製作出圖樣。好處是不需要光罩或模具,可以進行少量多樣的圖樣印製。代表廠商為EV Group,其MLE(maskless exposure)技術使用多重波長的高功率紫外光源,透過緊密群聚式直寫頭(writer head),可達到小於2微米的線寬/線距比,其動態對焦系統讓雷射在掃描過程中,不受基板翹曲影響,適用於多種光阻材料,也可以在任意方向上進行掃描。

綜整以上各項新興技術的發展狀況,可以看到在前段製程,除了EUV下世代機台採用更高NA值的物鏡、更快速的晶圓傳送平台等硬體設施,來達到高解析和高吞吐量之外,產業界也從材料著手,包括乾式光阻、自組裝技術,都是希望透過新興材料的特性,增加曝光技術的準確度和靈活性。在封裝領域,則有數十家設備商分別投入無光罩曝光,主要技術為奈米壓印和雷射直寫,並且也在光電元件、MEMS製程找到應用價值。

三、半導體微影製程設備的產業觀察

半導體微影製程中的曝光機、光阻塗佈/去除、光罩製作/清洗/修補/傳載/儲放、量檢測等設備,組成一個微影製程設備生態系。在這個生態系中的各種設備,以曝光機為技術領頭羊,其他設備則圍繞著曝光機的發展而與之俱進。微影製程近年來隨著電晶體密度提高,結構細緻化、複雜化,使用的曝光機、光罩和相對應的量檢測設備,包括缺陷檢測、疊對量測設備等更加重要。此外,使用機台物聯網將曝光機與量測設備進行資料串聯,再以演算法優化曝光參數,讓曝光良率提高,也是微影解析度和誤差可以持續精進的重要關鍵做法。

半導體前段晶圓製造的成本架構中,曝光設備占了三成以上,2021年我國曝光設備市場達到約58億美元。未來下世代半導體元件發展,對微影製程設備產業例如曝光技術、光罩相關設備、量檢測技術都帶來更多商機。

以光罩為例,目前EUV使用的光罩分為有保護膜、無保護膜兩種。雖然有保護膜的光罩,可降低光罩受到落塵的污染造成曝光結果產生缺陷,但保護膜同時也會吸收EUV光,降低實際上雷射光到達晶圓的光強度,影響曝光效率。從2016年ASML開發了第一款基於多晶矽的EUV防護膜,當時的透射率僅78%,到2019年ASML透過日本三井化學公司生產防護薄膜,透光率可達90.6%,讓光罩的潔淨度得以受到保護之外,曝光後的檢測和光罩清洗步驟也可減少許多。光罩膜的發展和使用,另外衍生出光罩膜的自動化安裝、自動化拆卸、平整度/厚度/透光度的量測設備等商機,這些與光罩保護膜相關的技術和設備,正在韓國積極地被布局和開發中。

我國因為是全球先進製程重要基地,吸引ASML長年深耕臺灣客戶,也擴大其在臺灣的供應鏈,包括零件、板金加工、維修、清洗等業務,帶領廠商包括帆宣、公準、翔名、迎盛、懷霖、千附、神詠等。透過與ASML合作,提昇我國半導體應用精密加工技術,以及系統整合的能力,未來有機會參與模組或系統的共同研發,將先進曝光機研製的關鍵技術留在臺灣。

我國研究單位也以先進微影技術為關鍵技術出發點,投入未來微影製程相關的量測設備開發。工研院量測中心開發EUV光強分布偵測模組,用於監測EUV光源照射到光罩以及晶圓的強度分布和變化,作為曝光機校正和調整參數的依據。

光罩部份,目前國內參與的部份,包括家登的光罩盒和光罩傳送系統,家登、弘塑和科毅的光罩清洗機、京鼎的光罩保護膜貼合機。而在先進光罩修補、光罩量檢測和光罩保護膜量檢測的技術,我國仍以進口自KLA、Lasertec、Zeiss、Hitachi等國際大廠為主,此部份技術開發門檻高,自主化程度低,若可鼓勵外商來臺投資,設立生產線或研發中心,將可較為快速且有效帶動或扶植國內技術能量。

四、結語

晶圓廠在技術爭霸過程中,曝光設備的等級、規格、數量,已經成為晶圓廠元件研發能力的指標,是最關鍵的設備項目,所以台積電、三星和英特爾都密切關注ASML EUV的生產進度和出貨狀況。

除了用於先進製程的EUV設備之外,為了增加未來曝光解析度和靈敏度,新興技術包括乾式光阻和自組裝技術;封裝段的部份,為了降低曝光成本,出現無光罩的奈米壓印和雷射直寫技術。未來,隨著新技術的成熟和應用,微影製程將有更多選擇,相關的量檢測技術和材料都有更多的組合及改變。整體來說,曝光技術是未來半導體製造的關鍵,目前看來也已經不再單單只朝向雷射投射光罩技術發展。全球各大設備商、研發單位都持續努力,我國在這個領域,過去比較少著墨,未來也許透過國際合作,較能掌握關鍵技術與產業趨勢。

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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