【微影製程大解密】(1)——當年台積電如何彎道超車？
在顯微鏡下，半導體晶片宛如一座縮微城市，每條「道路」都比頭髮的千分之一還要細微。工程師是如何在如此微小的尺度上，打造出這些精密的電路網絡呢？答案就在微影製程。這項技術就像奈米雕刻師，不斷突破物理與工程的限制，讓同樣大小的晶片能容納更多的電晶體與功能模組，進而提升運算速度與降低功耗。本文將帶領讀者走進微影製程的世界，探索它的科學原理與演進歷程，並以此視角回顧台積電如何在2004年憑藉創新的浸潤式微影技術，成功超車全球半導體業，躍升為業界的領航者。
撰文｜黃鼎鈞
想像一座城市：高樓林立、道路交錯、橋樑連結各處，現在，把這座城市縮小到一根頭髮直徑的千分之一，樓房變成電晶體，道路是金屬連線，橋樑是導電的接點，工程師要怎麼在這麼小的世界裡，精確地建造這些結構？答案是—微影製程 (photolithography)。這門技術就像「奈米雕刻師」，利用光當作雕刻刀，在晶圓表面「描繪」電路圖案，它的精準程度，決定了一顆晶片能容納多少元件，也決定了運算速度、功耗與成本，因為微影製程的發展，現今的科技才得以飛快的進步。
微影製程的原理與物理極限
微影製程的運作原理主要有以下這些步驟，首先，在晶圓表面塗上一層對光敏感的材料，稱為光阻，就像傳統相機的底片一樣會對光產生化學變化。接著，透過刻有電路圖案的光罩，光線只在特定區域照射到光阻，把電路形狀「印上去」。最後進行顯影，根據光阻種類，曝光區域可能會被溶解（正光阻）或被保留（負光阻），留下所需的圖案。這些步驟會反覆進行，並配合蝕刻與沉積等製程，最終層層堆疊出完整的晶片結構。
接著，你可能會好奇，那麼這些圖案可以做到多小呢？這就要從 Rayleigh 公式談起。首先，原始的 Rayleigh 公式寫作：
R=k λ
這裡R是最小可成像線寬，λ是光的波長，k是與光學系統與製程相關的經驗常數，影響k的因素很多，包括光罩設計、曝光條件、光阻與製程控制等，但在實際製程中，對解析度影響最顯著的，是影響聚光能力的NA (Numerical Aperture)，因此業界常將公式改寫為：
其中NA則由NA=nsinθ定義，n是投影介質的折射率，θ是系統可收集光線的最大角度。提高n或增大θ，都能讓NA上升、解析度上升（線寬縮小），刻畫出更細的線寬。
因此每一個半導體世代的突破，主要來自於新的光源波長 (λ) 的縮短，或是NA值的增加，以下的表格整理每一個半導體世代採用的微影製程的波長與NA值。
台積電如何在2004年超車成為全球領導者
2000年前後，業界主流的微影製程已採用193 nm深紫外光 (DUV)，但在提升解析度方面遇到瓶頸，因為採用更短波長的光源需要付出極高的成本。2004年，半導體界迎來一場劃時代的轉折—浸潤式光刻 (Immersion Lithography)，這項由台積電前研發資深副總林本堅博士發明的技術，巧妙地在不更換193 nm光源的情況下，顯著提升了解析度，讓台積電在晶片微縮競賽中超越眾多對手，奠定了全球領先的地位。
當時的ArF DUV (dry) 製程中，投影鏡頭與晶圓之間充滿空氣，折射率n=1，NA難以突破1.0，林本堅博士提出將空氣換成折射率約n～1.43的超純水，依據Rayleigh公式，解析度可提升約1.43倍，而且無需更換光源或大幅修改設備，這項創新讓台積電能在相同光源下刻畫更細緻的線條，將製程推進到40奈米甚至更小。不過，理論雖然簡單，但在工廠實現卻極其困難，超純水必須保持無氣泡、無雜質，否則會刮傷晶圓或干擾成像；光學系統需要重新設計，以避免水流引起震動；製程還必須與蝕刻、沉積等數百道步驟精準匹配，而台積電的功夫正是在這方面展現了驚人的工程整合能力！
微影製程技術不僅是一門精密的工藝，更是推動半導體產業世代更替的關鍵技術。直到今日，微影技術已經進入極紫外光 (EUV) 世代，以更短波長的光源來突破解析度極限，結合精密光學與製程整合來實現更小的線寬。下一篇，我們將深入探討EUV光源的工作原理與工程挑戰，並報導當前半導體產業如何藉此推動晶片世代的持續革新。
參考文獻
- Wu, Q., Li, Y., & Zhao, Y. (2020, November). The evolution of photolithography technology, process standards, and future outlook. In 2020 IEEE 15th International Conference on Solid-State & Integrated Circuit Technology (ICSICT) (pp. 1-5). IEEE.
- Lin, B. J. (2004). Immersion lithography and its impact on semiconductor manufacturing.Journal of Micro/Nanolithography, MEMS and MOEMS, 3(3), 377-395.