半導體製程重中之重- 微影技術的突破與創新

摘要：微影製程的目的是為了在晶圓上製作圖樣，隨著電晶體密度更高，結構更細緻、更複雜，使得曝光、光罩和相對應的量檢測設備更加重要。全球的領導設備商，都希望在下世代微影製程所需的關鍵模組或技術可以突破與創新。中國和韓國也積極改變關鍵設備依賴進口的現況，投入曝光機、光罩保護膜自動化設備等領域。我國在微影設備目前以學校和法人團隊開發為主，廠商投入不多。因此本文期待透過呈現曝光設備市場和技術發展趨勢、全球微影製程生態系，比較中國、韓國、臺灣微影製程設備技術動態，協助我國有意願投資微影製程之業者，找到適合發展的產品與機會。
Abstract：The purpose of lithography process is to define the patterns on the wafer. With higher density of transistors and more detailed and complex structures, the lithographic exposure equipment, mask and the corresponding inspection equipment become more important. The entire world's leading equipment vendors hope to make breakthroughs and innovations in key modules or technologies that required for the next-generation lithography process. China and South Korea are also actively changing the current situation of relying on imports of key equipment, and invested in exposure machines, mask automation equipment and other fields. Currently, lithography equipment in Taiwan is mainly developed by universities and research institution teams, not many manufacturers involved. The purpose of this article is to help the Taiwan companies that willing to invest in lithography to find suitable products and opportunities through introducing the global lithography system and exposure equipment market, technology development trends, and compare the related technology status in China, South Korea, and Taiwan.

關鍵詞：半導體微影製程、曝光機、光罩
Keywords：Semiconductor lithography process, Lithographic exposure equipment, Mask

前言
半導體晶圓製造的成本架構中，微影製程占了三成以上，其中EUV曝光機在2020年到2025年的市場成長率高達20%以上。微影製程設備的重要性，也可從晶圓廠的較勁方式、地緣政治的管制手段、領導設備商的積極投入表露無疑。
目前台積電與三星是唯二兩間採用EUV設備製作邏輯晶片的廠商，用來開發5奈米以下的晶片。Intel則是宣布公司下世代晶片也將採用最新款的EUV設備進行曝光。可見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。
微影製程設備的重要性，也可從各國所採取的地緣政治管制手段得知。美中科技戰中，ASML受到美國政府壓力，不得銷售EUV設備給中國半導體廠商，抑制中國在先進晶片的開發進度，明顯表示曝光設備對於半導體生產至關重要。
領導設備商如AMAT、KLA、Nova、Zeiss、IMEC、VDL等，為了在下世代製造技術中，持續保持領先地位，與ASML密切合作。ASML自2019年開始，和歐洲的半導體設備商展開三年計畫，著重3奈米曝光、光罩修復和量檢測技術開發，以建設高效的3奈米節點電晶體試生產線(Building efficient pilot production line for 3-nanometre transistors, PIn3S)為目的。此外，為了開發更高解析度的EUV，ASML與IMEC聯合成立高NA值EUV實驗室，同時也有許多領導設備商加入。例如：東京電子(TEL)於2021年6月加入，推出因應下世代曝光製程所使用的塗佈和顯影設備，實現更精微的晶片圖樣[1]。
由上可見，未來半導體晶片結構將以曝光製程為核心，而沉積、蝕刻、塗佈、量檢測等設備，都得跟隨著曝光技術所定義的結構細微程度，推出對應的規格和需求。
半導體曝光設備市場與技術發展趨勢
半導體曝光設備市場規模在2020年為116億美元，到2025年將成長到180億美元，年複合成長率為9.1%。其中EUV曝光機2020年到2025年的市場成長率高達20%以上。曝光設備依照光源波長，可分成五大類： I-line (365奈米)、KrF (248奈米)、ArF (193奈米)、ArFi (193奈米)、EUV (13.5奈米)，愈短的波長可製作出愈細微的圖樣。
除了使用EUV可以製作較微細的線寬之外，過去採用ArFi曝光機，要經過重覆曝光才可達到的線寬尺寸，若改採用EUV設備，可能單次曝光就可以做到，也大幅減少光罩數量，縮短曝光製程時間。因此EUV愈來愈重要，對於愈先進的技術則是不可或缺。而單一供應商ASML控制市場，加上設備開發難度增加，面對需求量變多如圖1，價格也水漲船高。現役的EUV設備單價約1.5億美金，而採用NA 0.55物鏡的最新一代EUV，市場預期售價將上漲到3億美金。反觀I-line、KrF、ArF、ArFi曝光機中，目前單價最高的是應用在次關鍵層的ArFi曝光機，價格卻預估從2021年到2025年逐漸下滑。

圖1 2020年-2025年全球半導體各類型曝光機台數目  資料來源：MarketsandMarkets (2021/01) [2]

全球微影製程生態系
半導體的曝光設備與光阻塗佈/去除、光罩製作/清洗/修補/傳載/儲放、量檢測等，成為一個微影生態系。生態系中的各項設備，圍繞著曝光機的發展而演進。
愈先進的EUV設備以曝出更細的間距為目標。目前一般採用的曝光原理，是將懸浮在光阻溶液中的光敏物質，與雷射光束產生化學反應之後而固化塑形。若未來EUV光束的光點更加微小，表示光束擊中光敏物質的可操控性和解析度會變差，而影響結構製作的準確度。所以部份領導廠商開始思考，改使用化學氣相法沉積乾式光阻，再以乾蝕刻去除光阻，也可降低目前光阻去除和乾燥過程的表面張力，得以製作出更微小的結構。
EUV光罩檢測大廠Lasertec，經由實驗證明，以EUV作為光罩檢測的光源，可以看到更微小的缺陷。因此開發出一系列光罩基板、空白光罩、有圖樣的光罩、有保護膜的光罩正反表面，推出相應的設備，供應全球各大晶圓廠與光罩廠。Lasertec在2021年6月上市的光罩邊緣測試設備MZ100，不只能夠檢測EUV光罩的上表面與底面，還能夠檢測邊緣缺陷[3]。