<div class="py-6">
<div class="jsx-3968805167 flex justify-center -mx-2">
<div class="jsx-3968805167 px-2">
<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/13-1_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">曝光是指在晶片製作過程中，把電路圖印在晶片上，以利後續將晶片蝕刻成電路，只要曝光出錯，整批晶片就全部報銷，因此曝光機的進步可說是至關重要，圖為曝光機實際長相。</div>
</div>
</div>
</div>
</div>
<p>&nbsp;</p>
<p>由英特爾（Intel）創辦人之一戈登．摩爾在 1965 年於《電子學》（Electronics）雜誌所提出的摩爾定律（Moore&#8217;s Law），曾經被視為半導體產業最精闢的預測與註解。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>即使有長達半世紀，半導體產業均服膺於摩爾定律這盞明燈，人們卻沒有樂觀以待，而是認為摩爾定律終有一天會抵達電晶體的物理極限。近年來，半導體邁入 3 奈米量產世代，隨著科技產業競爭日益激烈，坊間也不斷傳出摩爾定律已死的哀鳴。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>科技業該何去何從？摩爾定律的續命丸究竟在哪裡？許多人將救命目光投向了「極紫外光曝光機」。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>極紫外光（Extreme ultraviolet, EUV）是波長小於 13.5 奈米的光，使用 EUV 作為光源的曝光機，即為 EUV 曝光機。由於造價昂貴、製程繁複、貨源稀少，關鍵技術由荷蘭的艾司摩爾（ASML）一手掌控。2021 年，艾司摩爾全年僅出貨 42 台 EUV 曝光機，新一代機器的單價更是高達 4 億美元！</p>
<p>&nbsp;</p>
<div class="py-6">
<div class="jsx-3968805167 flex justify-center -mx-2">
<div class="jsx-3968805167 px-2">
<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/13-2_670x377.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">由艾司摩爾產出的 EUV 機台示意圖，型號為 NXE3400B，紫色為 EUV 光束的行進路線。</div>
</div>
</div>
</div>
</div>
<p>&nbsp;</p>
<p>作為當代頂尖的曝光機，EUV 曝光機可以進行 5 奈米以下的製程。為了爭取未來在半導體市場的一席之地，EUV 曝光機已成為台積電、三星、英特爾等晶片製造商巨頭需無所不用其極爭奪的關鍵設備，同時，各國政府也紛紛加入行列，爭奪戰在全世界如火如荼地開打。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>然而，艾司摩爾究竟做了什麼，能夠製造出幾乎無人可以在短期內取代的頂級 EUV 曝光機，並在半導體業擁有如此舉足輕重的話語權？而台積電又為何能夠被譽為臺灣的「護國神山」，成為全球科技業的一大巨頭？想要解答這些疑惑，必須先從積體電路的製程開始說起。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">縮小、縮小再縮小的光學微影技術</span></strong></h2>
<p>從摩爾定律可以初步了解，電晶體尺寸越小、密度越高，就可以讓電子產品的效能越好，帶領人類的科技進程前往下一哩路。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>所謂的 28 奈米、16 奈米、7 奈米，傳統上指的是電晶體的「閘極長度」（gate length），它就像是電晶體的「開關」，可以選擇要不要讓電子通過。1980 年代迄今，歷經 21 代變革後，晶片從 5 微米縮小到 3 奈米，晶片上可容納的元件數量已經成長了百萬倍。技術發展至此，半導體業也已經無法單靠閘極長度來評估晶片的效能，所謂的製程節點也僅是象徵技術的突破節點，並不實際等於閘極長度。</p>
<p>
隨著電晶體逼近單奈米尺度，甚至比新冠病毒顆粒（約 120 奈米）還小，人類到底該如何繼續製作出更迷你、效能更高、能夠短時間量產的下一代元件，是半導體產業近年來最棘手的問題。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>你有想過，工程師到底是怎麼在小小的晶圓上「蓋」出奈米尺度的電路圖呢？若我們想要在平地上蓋一棟豪宅，可以聘雇工人在土地上利用鋼筋、水泥蓋房子，但若是到了晶片製造廠，工程師沒有辦法親手完成只有幾奈米大小的電路設計，必須透過「光」，才能將設計好的圖形「縮小並轉印」在晶圓上面，而我們將這樣的技術，稱為光學微影（optical lithography）技術。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>簡單來說，當工程師規劃好晶圓上各區域的功能後，會將電路圖刻在石英片上面，製作成「光罩」，當光束從光罩上方照下來，透過由透鏡組成的光學系統，照射到塗布了光阻的晶圓後，再進行顯影、蝕刻和清洗，就可以將圖案從光罩轉移到晶圓上。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>舉例而言，當我們想在晶圓上製作出一個「三角形圖案」時，需要做出一個三角形圖案的光罩，並在晶圓上先行沉積了氧化矽並塗上光阻。當光束入射後，三角形的區域被光罩遮蔽，只有外圍的光能夠通過，並由透鏡縮小數倍後，投影在光阻上。因被光照射的光阻變得較易溶解，因此可透過顯影液去除，僅留下沒有被照射到的區域。由於光阻的保護，在進行化學蝕刻時，三角形的氧化矽會留下，最後再將光阻清除，即能完成三角形的轉印。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>為了讓大家盡量了解原理，三角形圖案已是個簡化許多細節的例子。光學微影的製程非常繁複且精細，從光源、電路設計、數值孔徑、介質、光阻劑、顯影劑、光罩潔淨技術、設備的震動、蝕刻⋯⋯等，任何一個步驟的技術改良、任何一個環節的原料價格與供應，都會影響製程的成敗。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">彎道超車的台積電：浸潤式微影技術</span></strong></h2>
<p>時間來到 2002 年，即使光源波長已經從初期的紫外光波長 436 奈米發展到 ArF 的 193 奈米，屬於深紫外光（deep ultraviolet, DUV）的範疇，但若要製作更細膩的圖案，當光罩圖案的線寬小於光源波長，就會出現繞射現象，造成嚴重失真，因此各大晶片製造商無不力求研發使用波長更短的光源。然而由於光源技術遲遲無法有所突破，使得光學微影技術發展在 2002 年的 65 奈米遇到了技術瓶頸。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>除了重點開發 157 奈米的光源之外，英特爾與 AMD、IBM、Motorola 等大型企業，以及美國能源部旗下三大研究室，早已攜手成立極紫外光微影設備研發聯盟（EUV LLC），協助艾司摩爾開發 EUV 機台，希望從波長小於 300 奈米的深紫外光（DUV），走入波長僅有 13.5 奈米的極紫外光（EUV）——先從 100 奈米出發，再逐一突破至 60、40 奈米製程。當時，台積電也積極爭取加入僅有 6 個公司名額的研發聯盟，可惜鎩羽而歸、吃了閉門羹。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>殊不知，這道閉門羹沒有讓台積電失去技術領先的地位，甚至「彎道超車」，率先突破技術節點！台積電前研發副總經理、中央研究院院士林本堅成功研發「浸潤式微影技術（immersion lithography）」，在保持使用 ArF 光源的條件下，改以「水」取代空氣作為介質，即可在不更換光源、光罩的狀況下，獲得更高的解析度。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>以往，業界使用的是「乾式」微影技術。當光束經由光罩和透鏡，投影在晶圓上時，透鏡與晶圓之間的介質是空氣。由於透鏡（n=1.5）與空氣（ n~1 ）的折射率相差較大，介面反射較大，使解析度下降，因此林本堅院士將透鏡與晶圓泡在水裡，用水取代空氣，而透鏡和水（n=1.44）的折射率相差較小，形同將波長縮小至 134 奈米，藉此提高解析度。2004 年，林本堅院士與艾司摩爾合力製作出第一台浸潤式樣機。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>拜浸潤式微影技術之賜，台積電的技術不僅領先全球半導體業，在林本堅院士成功遊說艾司摩爾、Nikon 等設備廠商後，浸潤式微影技術正式走入全球市場，並帶領半導體技術在短短 10 多年之間，走入 7 奈米時代，而同時下注 EUV 和浸潤式微影技術的艾司摩爾，也漸漸成為半導體界內舉足輕重的設備大廠。此後，林本堅院士即被譽為浸潤式微影之父。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">從 DUV 到 EUV：艾司摩爾和台積電的稱霸之路</span></strong></h2>
<p>雖然浸潤式微影技術大幅延長了 DUV 光源的壽命，讓各大晶片製造商在 EUV 技術尚未準備好之前，即突破 65 奈米的技術節點，從 45 奈米一路走到 5 奈米製程，跨越了 6 個世代，但對半導體業而言，研發 EUV 微影技術的步伐仍然刻不容緩。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>只是，EUV 微影技術難度宛若登天，想要做 EUV 微影機台，可不僅僅是替換光源而已，光源功率、環境、抗蝕劑、防護膜，都是全新的難題。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>例如：EUV 微影機台須改用二氧化碳雷射轟擊液態錫滴來產生光源；只能在低真空中環境運作；無法使用傳統的玻璃透鏡，必須改用反光鏡組合而成的全反射式光學系統，而每一個反光鏡的反射角度都必須精準再精準，鏡面上任何一點的凹凸不平，都有可能帶來不可挽回的誤差；EUV 光束經過數十次的反射後，光能消耗極大，所需曝光時間太長⋯⋯。種種技術卡關，讓 EUV 的研發難度達到全新的高度。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>即使 EUV LLC 並未透過 EUV 搶先突破單奈米製程，但累積多年的 EUV 技術研究和經驗，仍然讓人類一步一步邁向量產型 EUV 微影機台。 2006 年，艾斯摩爾製作出了第一台樣機 Alphademo tool（ADT），2010 年起，台積電隨後訂購了 NXE：3100、NXE：3300 等型號，並和英特爾、三星，先後投資艾司摩爾，與艾司摩爾達成緊密的合作與開發，致力於讓 EUV 微影機台成為開發用的量產設備。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>在各大巨頭的入股之下，艾司摩爾先後收購美國微影光源公司 Cymer、入股德國製造光學系統的公司 ZEISS ，並聚集了日本的光阻、光罩技術和供應廠商，確保原料的穩定和技術支援。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>時至今日，艾司摩爾最新的機台為 TWINSCAN NXE: 3600D ，已能支持 5 奈米和 3 奈米的先進製程，是全球唯一的 EUV 曝光機頂級製造廠，並在 2020 年抵達出貨 100 台 EUV 極紫外光微影系統的里程碑。至此，積體電路製造正式進入 EUV 微影時代。</p>
<p>&nbsp;</p>
<div class="py-6">
<div class="jsx-3968805167 flex justify-center -mx-2">
<div class="jsx-3968805167 px-2">
<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/13-3_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">截至 2023 年 3 月，艾司摩爾最新產出的 EUV 機台型號為 TWINSCAN NXE:3600D，數值孔徑（NA）0.33。</div>
</div>
</div>
</div>
</div>
<p>&nbsp;</p>
<p>有趣的是，即使台積電當年被 EUV 聯盟拒於門外，如今卻透過與艾司摩爾長期合作，成為全世界擁有最多 EUV 微影機台的公司，在 2019 年正式使用 EUV，投入 7 奈米晶片的量產，更在 2020 年量產 5 奈米晶片，擁有超過 160 億個電晶體。如今，iPhone 13 、iPhone 14 上搭載的，就是來自台積電使用 EUV 生產的 5 奈米晶片，iPhone 14 Pro 則是新版 4 奈米晶片。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">為什麼 EUV 對於先進製程這麼重要？</span></strong></h2>
<p>話說回來，為何半導體產業非 EUV 不可？難道不能持續優化 DUV 技術，讓浸潤式微影技術的故事重演嗎？</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>實際情況是，除了台積電、三星、英特爾三大廠之外，其餘晶片製造廠都難以爭取到 EUV 機台的貨源，必須留守於研發 DUV 微影技術。其中，討論度最高的，就是中國最大的晶片製造廠——中芯國際（SMIC）。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>今日，半導體產業通常以 7 奈米作為分水嶺：大於 7 奈米稱為成熟製程，5 奈米以下為先進製程。在中美貿易戰之下，美國為了打壓中國的半導體業，延緩中國發展先進製程的速度，禁止艾司摩爾向中國出售 EUV 曝光機，並在 2020 年將中芯國際列入<span data-component="tippy" data-content="實體清單（entity list）是美國商務部工業和安全局公布的貿易黑名單，名單上的成員一般為美國以外的外國個人、實體或政府。被列入實體清單的成員需要獲得美國商務部頒發的許可證，才能購買美國技術">實體清單</span>。然而，這並沒有阻擋中芯國際的腳步， 2021 年，中芯國際在僅有 DUV 曝光機的條件下，透過「自對準多重曝光（Self-Aligned Multiple Patterning, SAMP）」技術，做出了 7 奈米的晶片，引起全球矚目。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>雖然透過 DUV 曝光機完成 7 奈米製程並非創舉，台積電早在 2018 年即開始量產第一代的 7 奈米晶片，但讓眾人驚訝的是，中芯國際在短短 2 年內就從 14 奈米跨過 10 奈米，直接抵達 7 奈米，技術躍進的速度非常驚人。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>然而，這並不代表 DUV 搭配上多重曝光，就能夠打開中芯國際在先進製程的康莊大道。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>所謂的多重曝光技術，即是讓原本的電路圖，從一個光罩拆解成多個光罩，經過多次曝光，畫出更精細的結構。DUV 浸潤式微影技術可以做到的光學解析度，極限大約是 40 奈米的結構，若搭配使用雙重曝光，約可以完成 20 奈米製程， 在理想狀況下，四重曝光可以達到 5 奈米，但受限於解析度，實際極限為 7 奈米。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>對於中芯國際發展到 7 奈米製程，林本堅院士並不意外，指出中芯國際在無法取得 EUV 的設備下，也有機會透過更多次的曝光，開展至 5 奈米製程。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>但這樣的做法卻有相當致命的缺點，因 DUV 機台必須仰賴多次曝光，才能實現單奈米製程，所以效率不高、解析度不佳、容易出現誤差。反之，EUV 僅僅曝光一次，就可以達到將近 10 奈米的結構，雙重曝光即可做到 5 奈米以下，所以即使現有 DUV 技術可支援至 7 奈米、5 奈米，也只能落到良率不佳、製造成本過高的境地。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>整體而言，因 EUV 的解析度更高，可簡化先進製程的製造工序、減少所需光罩的數量、設計難度也隨之降低。 種種先天優勢，使 EUV 在先進製程中扮演無可取代的角色。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><strong><span style="font-size: 20px;">未來展望</span></strong></h2>
<p>先進製程的研發競賽、EUV 機台的貨源爭奪戰，仍然在全世界激烈上演。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>2022 年，美國 Zyvex 公司推出最新的 ZyvexLitho1 曝光機，可製造用於量子電腦的 0.7奈米晶片。而艾司摩爾持續著力開發第二代的 EUV 曝光機，預計提升數值孔徑（NA）至 0.55，讓光學系統的收光能力更強、提升影像解析度，幫助晶片製造廠在 10 年內達到 2 奈米製程，同時讓製造晶片的曝光成本更低、對比度更高，生產效率也更高。可見未來第二代 EUV 的機台，又將引起波濤洶湧的搶購浪潮。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>然而，不斷挺進下一個先進製程的技術節點，真的是半導體業的未來嗎？雖然摩爾定律作為半導體界的產業明燈已超過半世紀，但包含林本堅院士在內，均呼籲業界不能一味地追求「縮小」，而魯莽衝刺先進製程。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>2022 年，在台積電的引領下，半導體產業已來到了 3 奈米製程，並預計在 2024 年進入 2 奈米世代，在單奈米製程世代下，業界必須投入極高的開發和產能成本，才能縮小一點點結構，這完全不符合效益。因此，如何創造出最低成本、最高效益的製程和產品，才是半導體業必須慎重思考且投注的未來。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p><span style="font-weight: 400;">（客座總編輯｜國家實驗研究院台灣半導體研究中心 侯拓宏主任；研究顧問團隊｜中央研究院 林本堅院士；責任編輯｜曹盛威、劉品萱）</span></p>
