人類工業史上的掌上明珠：曝光機

ASML（艾司摩爾）是全球最大的半導體設備公司，該公司在曝光機這一領域長期占市場主導地位，自2013年推出了人類史上首台EUV（極紫外光）曝光機之後，更是壟斷了該一領域，成為全世界唯一能夠提供EUV微影設備的公司。

人類自20世紀以來，科技以前所未有的速度飛快成長，而電子技術又無疑是人類科技進步的最大推手。

自1958年第一個積體電路（integrated circuit）誕生以來，人類投入了極為龐大的資金與人力致力於研究如何將積體電路製作的更小、性能更好，直至21世紀的今日，積體電路技術已經無所不在，滲透進了人類生活的各個層面，成為了人類社會運作的基石，即便是當下最熱門的AI相關技術，積體電路都扮演著如同心臟與大腦一般的角色。

在這樣的背景下，用於製作先進積體電路的技術更是成為了國際間政治角力的重點之一，而曝光機正是積體電路製造技術中最為關鍵且困難的部分。

圖1 ：無所不在的積體電路

資料來源： 睿智管理顧問公司

【技術簡介】

曝光機運作原理與早期照相底片類似，底片製作時上面被塗抹了鹵化銀膠，鹵化銀對光有反應，透過鏡頭把光聚焦在底片上，接觸光的鹵化銀晶體會變成純銀，這些純銀會在蝕刻過程被蝕刻掉，形成圖案。

下圖簡單介紹曝光機的工作原理：

1. Light source：光源，一般是短波長雷射光。
2. Lens in illumination system：光源系統鏡頭組，此圖只是簡圖，實際上鏡頭組結構除了數十枚透鏡還包含許多反光鏡，目的是解決色散、球面像差 、變形等光學瑕疵，並且本身必須具備高數值孔徑（高折射率）特性。
3. Photomask：業界俗稱光罩，是一片為小的玻璃板，上面繪製著電路圖。
4. Projection lens：投影鏡頭，用於聚光，聚光後將電路圖影像投影至晶圓。

雷射光源經過光源系統鏡頭組，穿過繪製著電路圖的光罩，再穿過投影鏡頭投影在晶圓上，晶圓上的固化光阻劑有被光照射到的部份即會變質液化，液化的部分後續流程中會被清洗掉，以利後續蝕刻流程，沒有被光照到的部分，在蝕刻流程中會保護下面的晶圓不被蝕刻。

以上流程在完整的製程中會重複十數次，從最底層的電晶體電路層到最頂層的金屬走線層一層一層向上疊加，直到完成所有的電路鋪設。

圖2 ： 曝光機原理

資料來源： nikon公司

以上對曝光機的工作原理做了簡略的介紹，每個環節無不是舉進各個領域的頂尖人才才能做到的尖端技術，而一台造價上億美元的EUV曝光機又有什麼特別之處呢?為何僅有ASML一家能夠做到？

【技術關鍵】

西盟科技（Cymer）是一間致力於雷射光源的公司，是世界上最早提供了可商用化的極紫外光（EUV）解決方案的公司，目前已經被ASML收購。

圖3 ： 西盟科技雷射光源產品

資料來源： 西盟科技網站 

在眾多的EUV解決方案中，考慮到合理成本與商用效益，最終僅有放電產生等離子體（Discharged-Produced Plasma, DPP）與雷射產生等離子體（Laser-Produced Plasma ,LPP）兩種方案最有可能實現。

兩個方案的實踐方式都是透過對液態錫滴加熱蒸發成為等離子體，化為等離子體過程中所放出的輻射正是波長僅為13.5nm的極紫外光，但加熱方式不同，DPP解決方案最為簡單，直接用電極將液態錫滴加熱，LPP顧名思義，就是用高功率雷射來將液態錫滴加熱。

DPP在實踐上有著較難蒐集13.5nm波長極紫外光的問題，導致最終極紫外光的功率不高，因此後來暫時是由LPP來實現，LPP技術中蒐集極紫外光效率較高，因此最後得到的極紫外光功率也較高。

LPP實踐技術中，需要一個精準控制的液態閥，將錫加熱至液態後釋放液滴，每一秒大約滴下五千滴液態錫滴，每一顆液態錫滴的直徑僅為25µm，每一滴都會先被低功率雷射極中成為圓餅狀，再由高功率雷射將其蒸發，最後再由反光鏡等方式來蒐集極紫外光，這些流程不論是對雷射光源與液態閥的精密程度都是極大挑戰。

圖4：LPP原理

資料來源： ResearchGate網站 

為何雷射的波長要越短越好？是因為對曝光解析度的需求，解析度與雷射波長成反比，而與鏡頭系統組的數值孔徑成正比，目前ASML的主要型號EUV數值孔徑為0.33，再來就只能要求雷射波長了，越短的雷射波長就能得到越高的曝光解析度，理論上越先進的製程需要越高的曝光解析度。

圖5 ：EUV曝光機的光學系統

資料來源： zeiss公司 

另一項應用在EUV曝光機上的超群技術，就是由德國老牌光學廠蔡司（Zeiss）所提供的光學系統。

由於極紫外光產生功率較弱，禁不起穿過透鏡的損耗，因此EUV曝光機所使用的光學系統為全反光鏡，且因為極紫外光容易被空氣吸收，反射途徑都必須為真空。

為解決解決色散、球面像差 、變形等光學瑕疵，反光鏡數量需要高達11片，由於要求的精度極高，每一片反光鏡都需要反覆研磨測試，需要數月時間製作，前陣子推出的高數值孔徑極紫外光曝光機（High-NA EUV）對精度的要求更高，製作更需耗費一年，數值孔徑可以達到0.55，相較以往型號解析度大幅提升。 

【結語】

面對日益遽增的AI需求，極紫外光曝光機的出現保住了摩爾定律可以繼續維持，也是歐洲精密工業的集大成，雖然不若可以直接購買到的GPU那樣親近世人，但卻默默地在幕後擔任AI產業的最大推手。

封面圖片來源： https://today.line.me/tw/v2/article/2PjZRj

參考資料來源：

1.睿智管理顧問 ： https://www.stratevo.com.tw/industry-insights/digital-technology-industry

2.nikon公司： https://www.nikon.com/business/semi/technology/story02.html

3.ResearchGate網站 ： https://www.researchgate.net/figure/Configuration-of-CO-2-laser-produced-plasma-source-with-focusing-collector-mirrors-and_fig1_270766903

4.西盟科技網站： https://www.cymer.com/product/xlr-700ix/

5.蔡司光學網站： https://www.zeiss.com/semiconductor-manufacturing-technology/smt-magazine/so-does-euv-lithography-work.html