【領先全球量產之極紫外光微影(EUV)技術研發】

團隊創新領航－奈米製像技術發展處
台灣積體電路製造股份有限公司

EUV 讓摩爾定律持續發威

半導體製程不斷精進，每18 個月電晶體數量倍增的摩爾定律逐漸接近極限，台積公司奈米製像技術發展處攜手外部專業設備大廠、整合內部企業資源，克服各種艱難挑戰，研發出EUV 極紫外光技術，引領半導體產業持續發展。

1954 年第一顆商用矽晶片問世後，開啟了半導體的商業化路程。半導體產業發展初期是採一條龍的垂直整合，投入的廠商從設計到製造都必須一手包辦，不過台積奈米製像技術發展處資深處長辜耀進指出，隨著摩爾定律（Moore's Law）的持續生效，晶片裡的電晶體密度每18 個月就會加倍，半導體製造所需的技術與資本支出快速攀升，「台積的專業半導體製造服務，改變了這個產業面貌。」

突破微影極限 領航產業發展

辜耀進表示，半導體製程漸趨複雜，包含薄膜、微影、蝕刻、封裝、量測在內的各環節越來越精細，半導體架構也逐漸逼近物理極限，要讓摩爾定律延續，就必須強化微影技術的開發。作為半導體製造產業的領導廠商，「台積成立的奈米製像技術發展處，首要任務就是負責微影技術開發，不停挑戰元件線寬微縮以求突破效能。」

奈米製像技術發展處的工作，主要是透過微影機台改善、強化材料功能、光場近像模擬修正、光罩製作準確度和缺陷改善，讓每一個電晶體大小、形狀、間隔、線寬尺寸還有垂直水平對準都精準控制在奈米以下等級，「我們必須確保每一個產出的晶片效能和良率都符合客戶產品的需求。」

辜耀進進一步點出半導體工藝的發展趨勢和奈米製像技術的必要性。他指出這20 年來科技銳變，從大型運算機到近年5G 通訊手機、AI 人工智慧及物聯網應用，改變了人類生活型態，甚至大大改變工作型態、教育、娛樂及醫療行為，進而交通工具數位化、自動駕駛和互聯網應用，加上近日疫情狀況導致遠端視訊工作，「這都導致半導體晶片需求量不斷增加，產品效能、產能和節能成為重要的研發目標，而台積在其中一直扮演領航角色促進半導體工業的持續發展。 」

晶片效能的提升，意味著製程技術必須更加精進，半導體產業縮小電晶體的尺寸，以達到更高的運算速度和更低的能耗。不過奈米製像技術發展處技術處長王錦焜表示，「微影曝光時的光源波長，是決定電晶體尺寸的最重要因素之一。」根據物理定律，波長愈短的光源，愈能夠曝出尺寸更小的電晶體。上一代的微影製程技術，是利用193 奈米的雷射光來進行曝光，目前已經達到物理極限，如果要達到更小尺寸的線寬，勢必需要多重曝光（multiple patterning）來達成，但是對位控制和線寬控制會是很大挑戰，必須尋找更短波長的光源來取代，以滿足更高階的製程需求。「EUV 正是目前最佳技術用以補足過去半導體製程的不足。」

多年來，台積投入研發積極找尋延續半導體摩爾定律的方法，並和世界各地的研究單位一起合作，找尋下一代微影製程技術的解決方案。辜耀進回憶起當時的狀況，「當初台積除了著墨於大家比較熟悉的電子束微影製程以及EUV 技術以外，我們也投入材料研發以自組裝奈米薄膜製程（directedself-assembly, DSA）和奈米壓印技術（nanoimprintlithography）來達到更小線寬的微影製程。」在通盤良率、穩定度、效能及和既有的整體製程技術銜接評估和多重的測試下，台積於2011 年決定引進EUV技術並開始找尋國內外廠商和學術單位一同合作開發，「在這些先期的研究基礎上，我們才有近期成功的7 奈米、5 奈米以及未來3 奈米的成功量產。」

「EUV 光源具備得天獨厚的13.5 奈米短波長以提供更小線寬和更好解析的微影製程能力。」台積奈米製像技術發展處林進祥把EUV 與傳統193 奈米曝光機相比較後指出，EUV 可以大幅精簡晶片製程，提供更好的線寬控制及對準精確度，並在縮減製程步驟的同時，給了更多製程空間，多出來的空間除了強化晶片效能，也能在同樣線寬比例上改善結構和材料，加強電性、減少成本。

台積的EUV 製程與ASML 合作研發，這兩家公司有著深厚的技術合作默契。20 年前193 奈米曝光機的發展，奈米製像技術發展處與ASML 合作，將「突破晶圓製造瓶頸的一滴水」的浸潤原理導入ASML193 奈米曝光機，讓機台微影成像極限從45奈米走向10 奈米。20 年後相同成功的模式再次發威，台積與ASML 再次攜手研發EUV 技術，兩家全球最頂尖公司的設計專家共同改善機台效能，ASML根據台積提供的經驗回饋和改善方案並持續修正改良，辜耀進指出，很多台積當初給ASML 的方案和解決方法，已經落實在現有和未來量產的機台上，「EUV技術得以量產成功，雙方的密切合作是其中關鍵。」

整合內外專業 克服多元挑戰

辜耀進接著點出研發EUV 的難度，他表示EUV機台非常複雜，其製程機制是用高能雷射打上錫滴進而產生EUV 電漿，這個做法裡面包括了物理、化學、光學、材料、電子電機、機械等不同層面的技術，如何提升轉換效率以提高曝光速度是台積和ASML 遇到的第一道難題。他回憶10 年前研發時的能量只有1W 左右，一片晶圓曝光就需要花一個小時，而且能量會隨著錫渣汙染而衰減，在幾天內失去了50% 光源，在此同時機台裡是由成千上萬的光學、機械動件、高能雷射、真空等模組結合而成，「零件異常沒有及時發現，就可能會造成機台當機，必須一一克服問題，才能讓EUV 成為先進製程技術順利量產的助力。」

在改良EUV 機台方面台積下了許多功夫。在曝光問題上，由於光阻感光相對過去的193 奈米製程比較不敏感，不但會減緩曝光速度也會產生缺陷，對此台積發展獨有的材料增加感光元素，解決曝光問題。在光罩顆粒汙染問題上，由於EUV 不像傳統光罩，具有簡易薄膜可以防止空氣中微粒直接沾上光罩表面，因此如何減少光罩上的顆粒汙染也是台積EUV團隊重要的突破。除此之外，台積還運用了大數據和人工智慧演算法技術，從複雜的機台訊號中擷取數據並建立機器學習模型，藉此找出最佳的機台參數提升能量、減緩光源衰退以及減少光罩汙染。在良率方面，則以獨有的光罩近像修正技術，改善製程良率。「就在大家努力克服每一環節的難題後，機台和製程終於逐步改善並且變得穩定，產能與良率也獲得大幅提升。」

不過技術研發只是前期挑戰，研發成功的技術要導入產線量產又是另一回事。一開始EUV 機台穩定度和產能一直是量產的最大瓶頸，「我們必須不斷解決持續出現的光源不穩定、亮度衰退、光罩汙染、極低光電轉換效率的挑戰。」林進祥以前面提到的提高曝光速度為例，在台積研發工程師抽絲剝繭查清機台結構，並和IT 團隊合作透過大數據分析問題的因果關係後，找出改善問題的機會點，再與供應商共同合作開發新技術，以穩定光源延緩衰退率以及減少光罩被汙染的風險，並引進自創的改善方法，順利讓光源能量提高到300W 以上，且減緩衰退，目前最佳紀錄5 個月仍可維持80% 光源能量，給了整個團隊一劑強心針，「2018 年我們成功量產7 奈米，之後 2020 年量產的5 奈米和接下來馬上要進入量產的3 奈米，也都是採用EUV 技術。」

王錦焜也提到，先進技術的量產條件非常嚴格，產能、機台穩定度及製程控制都會以更高規格來看待。因此研發組織和量產Fab 團隊會超前部署，在研發後半、及量產前的階段，以One Team 模式緊密合作，此種合作模式好處在於，Fab 團隊可以更進一步了解研發組織提出的解方，Fab 團隊也可以從量產的觀點提供研發組織建議，透過雙方緊密合作，才能確保創新技術能夠被實踐，將技術順利轉移到產線上。進入量產階段後，研發組織會透過跨廠合作機制，持續協助Fab 團隊量產，經過每一代製程的淬鍊，此一合作模式讓研發組織和Fab 團隊在開創最新技術和技術轉移時更有默契，從而達到成功量產目標。

續命摩爾定律 建構在地化力量

對於未來展望，林進祥提到摩爾定律預測積體電路裡的電晶體數量每18 ～ 24 個月會倍增，性能也會因此提升一倍，但是晶片元件線寬不可能永無止盡地微縮，隨著製程愈發困難，外界質疑的聲音也越來越多，而EUV 技術提供相當短的13.5 奈米波長光源做為微影製程成像，讓半導體產業繼續延續摩爾定律把半導體製程從10奈米往下推到2奈米及更先進製程，生產出更高效能的晶片。

除了強化半導體晶片效能以及延續摩爾定律以外，台積的EUV 技術也扶持了大量臺灣在地的化學、材料、電子、工業廠商進入產業鏈，並且吸引國外半導體製造公司主動向這些本土公司購買零件耗材，「另外在人才培養部分，我們也提供平台，讓不同領域背景的人才，可以善用學校培養的本職學能加入半導體產業，挑戰EUV 的跨領域極限。」

林進祥最後指出，EUV 雖然順利協助先進技術進入量產，但並不意味這項技術就此完善到位，「研發具備大光圈（high NA）次世代EUV 機台與尋找新的微影製程技術，將是台積突破摩爾定律的規畫之一。」除了讓晶片元件線寬往更小尺寸邁進，台積也會持續追求降低晶片製作成本和提升元件效能，保持產業領先地位與競爭力。

創新秘笈BOX

EUV 涉及物理、化學、光學、材料、電子電機、機械…等各層面的最新技術，再加上此技術不能只停留在實驗室，技術研發成功後就必須進入產線量產，因此相關的研發不能只由台積裡的單一部門埋首完成所有工作。台積奈米製像技術發展處不僅借助外部專業力量，與長期合作的ASML 攜手研發，更在研發後段期間與量產Fab團隊組成One Team，讓後者從實際產線量產觀點提供意見，在進入產線後，奈米製像技術發展處也持續協助解決生產問題，順利達到量產目標。就此來看，新技術的研發必須在不同期程內與不同團隊進行跨界整合，方能讓研發成果兼具創新與實用。

得獎感言－奈米製像技術發展處
辜耀進 資深處長/ 王錦焜 技術處長/ 林進祥 處長

很榮幸代表台積參與第7 屆經濟部國家產業創新獎競賽，也感謝經濟部對我們團隊－奈米製像技術發展處的同仁在極紫外光微影（EUV）技術研發成果的肯定與鼓勵！

20 年來科技不斷進步，電子產品隨之日新月異；電腦、手機的發展，到近年5G 通訊、AI 人工智慧及車物聯網應用，改變了人類生活型態。台積和供應商、客戶一起努力，使半導體晶片效能持續精進，也幫助客戶的創新設計快速量產。

極紫外光微影技術的成功關鍵是如何將基礎研發快速轉換成量產技術。感謝公司內部研發和量產單位緊密合作，充分發揮台積創新和承諾的精神，突破材料、物理、化學、光學極限，終能領先全球量產！

最後，感謝公司深耕研發、鼓勵創新，及政府的肯定。團隊會持續創新及提升競爭力，並培育優秀人才和努力扶植國內相關產業，為我們國家的半導體產業及經濟做出最大的貢獻！

• 發布日期：2023/07/01
• 最後更新時間： 2024/05/06
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