冲破晶圆制造瓶颈的一滴水
藉由水的协助，让半导体业者得以在不更动现有制造流程的情况下，制造出更小、更快的晶片。
撰文╱斯蒂克斯（Gary Stix）
翻译／钟树人
物理学家阿米西（Giovanni Battista Amici）曾在义大利佛罗伦斯的实验室里，把一滴液体加在标本上方，藉此改善显微镜的成像品质。现在，过了165年，全球的半导体产业才准备好要采纳阿米西的创新技术。把晶片浸在浅薄的液体层中，制造出的电路线宽，可望媲美病毒大小。
19世纪与21世纪相遇了，这种旧瓶装新酒的办法，恰好可做为摩尔知名论文发表40周年的大礼。身为英特尔创始人之一的摩尔，就是在40年前，发表了半导体产业最举足轻重的技术论文：〈在积体电路上置入更多的元件〉。摩尔预测晶片上的电晶体数量，每隔12个月就会倍增（之后修改为每24个月）。这项预测后来变成了铁律，就好比一条自然法则，只要晶片的性能无法持续每两年达到指数成长，半导体产业似乎就会蒙受某种未明、但肯定悲惨的伤害。
有关新一代晶片制造技术的种种计画，陆续撞上了看似难以克服的障碍，若非水的出现，晶片技术的进展早已跟不上摩尔定律的脚步了。2002年，晶片制造商与供应商，在发展微影技术机台时，都未能跨越关键的里程碑。微影技术机是全世界最精密的照相机，可把电路的影像投射在覆盖于矽晶圆上的光阻剂，然后，用显影剂移除曝光的部位，再由蚀刻药剂把电路刻到晶圆上，之后晶圆即可被切割成一个个晶片。
想缩小晶片上的电路，最常见的方法包括缩短光波波长，使机器能在晶圆上投射出较小的电路。微影技术工具的制造商，在制作可投射157奈米波长机台的过程中，遇到无数困难。要从一代微影技术升级到新一代，必须采用全新的雷射、光罩（镂空板，可让雷射在晶圆上投射出电路样式）、可缩小影像与曝光位置的透镜，还有光阻剂。但是在157奈米之下，仪器制造商无法以氟化钙琢磨出合适的透镜，要不是缺陷太多，就是像差太大，无法在晶圆上清楚成像。IBM微电子先进微影技术开发部门资深经理龚巴（George A. Gomba）就指出：「材料品质与制造量都面临重大的问题。」
2002年夏天，在半导体研究联盟（Sematech）主办的157奈米微影技术的研讨会上，这个技术出现重大进展。全球第一大晶圆代工厂台积电的资深处长林本坚（Burn J. Lin），在会中发表有关浸润式微影技术（immersion lithography）的演说。这项技术源自阿米西的创意，早在1980年代任职于IBM时，林本坚就已经开始研究。他原订在会中讲述浸润原理，说明某种黏稠的机油在157奈米技术上的可能应用。不过他整个演讲却都在解释，为什么微影技术在157奈米下不可行，并力主业界应该把焦点放在如何将浸润技术运用于193奈米机台上，也就是前一代既有的微影技术设备。
193奈米的微影技术机台早已历经时间的考验，晶片厂可把重点放在这个尺度的浸润技术上，藉以提高解析度，使193奈米机台真能胜过157奈米机台所应达到的精细度。林本坚表示：「这种想法大概吸引了全场听众的注意，因此他们也就原谅我说157奈米技术的坏话。」水对于波长193奈米的雷射光来说是透明的，但对于157奈米波长的光波来说就不是了。水可让微影技术机台保有较大的数字孔径（numerical aperture），这是区别细部影像的关键因素，因此可提高解析度。水也能改善焦深，也就是当光阻剂上的影像具有可接受的清晰度时，镜头与影像之间的距离。先进的晶片制造过程特别注重焦深，因为晶圆表面上最细微的不平整，都可能会破坏成像。
林本坚的演说带来了挑战。193奈米的浸润式微影技术可能成为现有技术的延伸，因此或许不必再花上10年或更久的时间，就可研发出使用不同波长光波的微影技术仪器。然而，浸润研究的偶然出现虽然可回溯到1980年代，但没有人知道这项技术是否可行。泼洒在晶圆上的水，也可能引发大灾难。当机台上的晶圆以每秒50公分的速度移动时，其间形成的微气泡可能损及晶圆上的成像。
2002年12月，半导体研究联盟召开研讨会，100多位来自仪器与晶片制造公司以及科学界的研究员齐聚一堂，列出他们认为浸润式微影技术堪虑的事项。研讨小组认为这项技术若想成真，必须先克服10项基本障碍，包括：模拟水对镜头与光阻剂的可能伤害，并且了解水真正的基本物理特性等。波长193奈米的光波在水中的折射率，目前只测量到小数点以下两位。半导体研究联盟资深会员、同时也是这些早期会议的主持人特里布拉（Walter J. Trybula）表示：「大家都同意，我们必须得到小数点以下五位、甚至可能是六位的数据。」折射率为光波在真空与介质（如水）中的速度比，基本上可测量出水或其他介质改变光波前进方向的能力，也是决定数字孔径的重要参数。
气泡的行为是另一项未知因子，但目前已有工作小组针对这个问题展开研究。先进微影技术的研究重镇──美国麻省理工学院林肯实验室，目前正在研究冷冻干燥后的奈米级气泡。较大的微气泡也可能造成伤害。林肯实验室研究员斯威基斯（Michael Switkes）表示：「我们正在研究，如何让水流过成像机台下高速移动的晶圆，而不产生气泡。」结果显示，事先去除气体的纯水可能预防气泡生成，达到技术规格的要求。
2003年7月，半导体研究联盟再度针对浸润式微影技术召开研讨会，吸引众多与会者前往IBM的阿马丹研究中心。经过六个月的模拟与实验，10项技术障碍全部可望获得解决。半导体研究联盟浸润式微影技术策略的专案经理格伦维尔（Andrew Grenville）指出：「我们原先担忧的所有重大议题，到头来都是可解决的。」研发的脚步越发加快了。2003年12月，荷兰微影工具制造商艾司摩尔推出浸润式机台的原型；到了2004年底，IBM推出一批实验性微处理器，最小线宽已达90奈米。浸润技术的应用，加上微影技术人员口中的「花招」（比如改变光波的相位），使得虽然实际使用的光波波长为193奈米，但投影出的线宽却只有193奈米的几分之一。IBM的龚巴表示：「基本上我们认为：『这是可接受的』。」其他工具制造商、晶片厂与学术单位起而效尤，也纷纷展示新的产品与微影转印技术。浸润式微影技术可能在2009年达到量产，届时，积体电路上电晶体之间的距离，可能大幅缩小到45奈米，比C型肝炎病毒的宽度还要小。
应用浸润式微影技术，可以在晶圆上投射出更微小的电路，但是水里的微气泡会使电路的完整性受到破坏。
在镜头与晶圆之间的空隙中填满水，可提高晶片制造微影技术工具的解析度。雷射光为了要投射出最小的电路线宽，会以极斜的角度穿透镜头，如果遇到空隙中的空气，很容易就会被反射回去（左图）。反之，光线若以相同的角度遇到水就会发生偏折，因此可抵达焦点（右图）。浸润式微影技术也能改善焦深，也就是成像清晰的状况下，从镜头到影像之间的距离。
水所促成的新技术，是史上推出时间最短的新型微影技术之一。也因为水，半导体产业才不致与摩尔定律脱节。新一代晶片的推出时间已经延迟两年了，众人期待已久的高画质录放影行动电话也因此延宕。业界在157奈米微影技术上的投资，估计已超过20亿美元，但浸润技术的出现，却为它写下终结的命运。157奈米微影技术目前已被搁置。佳能公司资深研究员威尔（Phillip M. Ware）表示：「这个技术已经死翘翘了。」佳能与尼康、艾司摩尔并列三大微影技术制造商。
研究人员目前也在观望，浸润原理是否能应用在2011年那一代的晶片上，使电晶体的间距缩小到32奈米。想达成这个目标，必须配合新型镜头与化学添加剂，也就是某些人所戏称的色素果汁涒ool-Aid荂C这种添加剂可提高水的折射率，使机台保有较大的数字孔径。在今年3月的一场光学工程会议中，美国罗彻斯特理工学院的史密斯（Bruce W. Smith）与同事提出了「固体浸润式」微影技术，让蓝宝石镜头直接与光阻剂接触。这种技术可望使2015年的晶片，进入25奈米制程。
果真如此，全球第一大厂商英特尔所支持的技术，将在微影技术员的巧思之下遭到封杀。英特尔原本企图终结传统的晶片制造流程，甚至可能终止摩尔定律。众所周知，极紫外光微影技术（EUV）可把13奈米波长的光波投射到一连串的多层膜面镜上，以缩小晶圆上的成像。在这个波长之下，透镜无法作用，因为物质并无法透光。某些EUV技术早在「星战计画」时期就已经开始了。
原本在100奈米制程中，就应当运用EUV制造晶片，但浸润技术与其他进展，却把EUV商业应用的日子越推越远。在3月那场光学工程会议当中，有两位主题演讲的讲者预测，英特尔所支持的技术将因为成本考量，以及雷射与物质所面临的挑战，而永无量产之日。这两位分别是美国史丹佛大学电机教授皮斯（R. Fabian Pease），与德州大学奥斯丁分校的化工系暨化学系教授威尔森（C. Grant Willson）。威尔森同时创立了推动EUV替代方案的公司，他在访谈中表示：「依我所见，EUV不可能带来获利。」
业界已在EUV上投资数十亿美元，如果这项技术真的被放弃，命运就和X光微影技术一样。X光微影技术由IBM主导，采用同步加速器生成的辐射线，IBM与美国国防部高等研究计画署已经投下超过10亿美元的资金。事实上，在电磁波谱上，EUV的波长与X光相去不远。由于波长略大，EUV技术原被称为「软X光」投射微影技术，直到「X光」开始被视为研发的无底洞之后，才更名为EUV。
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