让水帮我们造出更小更快地晶片

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1、让水帮我们造出更小更快地晶片。撰文／斯蒂克斯（GaryStix）翻譯／鍾樹人物理學家阿米西（GiovanniBattistaAmici）曾在義大利佛羅倫斯的實驗室裡，把一滴液體加在標本上方，藉此改善顯微鏡的成像品質。現在，過了165年，全球的半導體產業才準備好要採納阿米西的創新技術。把晶片浸在淺薄的液體層中，製造出的電路線寬，可望媲美病毒大小。19世紀與21世紀相遇了，這種舊瓶裝新酒的辦法，恰好可做為摩爾知名論文發表40週年的大禮。身為英特爾創始人之一的摩爾，就是在40年前，發表了半導體產業最舉足輕重的技術論文

2、：〈在積體電路上置入更多的元件〉。摩爾預測晶片上的電晶體數量，每隔12個月就會倍增（之後修改為每24個月）。這項預測後來變成了鐵律，就好比一條自然法則，只要晶片的性能無法持續每兩年達到指數成長，半導體產業似乎就會蒙受某種未明、但肯定悲慘的傷害。有關新一代晶片製造技術的種種計畫，陸續撞上了看似難以克服的障礙，若非水的出現，晶片技術的進展早已跟不上摩爾定律的腳步了。2002年，晶片製造商與供應商，在發展微影技術機台時，都未能跨越關鍵的里程碑。微影技術機是全世界最精密的照相機，可把電路的影像投射在覆蓋於矽晶圓上的光阻

3、劑，然後，用顯影劑移除曝光的部位，再由蝕刻藥劑把電路刻到晶圓上，之後晶圓即可被切割成一個個晶片。想縮小晶片上的電路，最常見的方法包括縮短光波波長，使機器能在晶圓上投射出較小的電路。微影技術工具的製造商，在製作可投射157奈米波長機台的過程中，遇到無數困難。要從一代微影技術升級到新一代，必須採用全新的雷射、光罩（鏤空板，可讓雷射在晶圓上投射出電路樣式）、可縮小影像與曝光位置的透鏡，還有光阻劑。但是在157奈米之下，儀器製造商無法以氟化鈣琢磨出合適的透鏡，要不是缺陷太多，就是像差太大，無法在晶圓上清楚成像。IBM微

4、電子先進微影技術開發部門資深經理龔巴（GeorgeA.Gomba）就指出：「材料品質與製造量都面臨重大的問題。」2002年夏天，在半導體研究聯盟（Sematech）主辦的157奈米微影技術的研討會上，這個技術出現重大進展。全球第一大晶圓代工廠台積電的資深處長林本堅（BurnJ.Lin），在會中發表有關浸潤式微影技術（immersionlithography）的演說。這項技術源自阿米西的創意，早在1980年代任職於IBM時，林本堅就已經開始研究。他原訂在會中講述浸潤原理，說明某種黏稠的機油在157奈米技術上的可能

5、應用。不過他整個演講卻都在解釋，為什麼微影技術在157奈米下不可行，並力主業界應該把焦點放在如何將浸潤技術運用於193奈米機台上，也就是前一代既有的微影技術設備。浸润式微影技术是指在投影设备和半导体光刻胶之间注入水，从而提高芯片微结构的分辨率和景深193奈米的微影技術機台早已歷經時間的考驗，晶片廠可把重點放在這個尺度的浸潤技術上，藉以提高解析度，使193奈米機台真能勝過157奈米機台所應達到的精細度。林本堅表示：「這種想法大概吸引了全場聽眾的注意，因此他們也就原諒我說157奈米技術的壞話。」水對於波長193奈米

6、的雷射光來說是透明的，但對於157奈米波長的光波來說就不是了。水可讓微影技術機台保有較大的數字孔徑（numericalaperture），這是區別細部影像的關鍵因素，因此可提高解析度。水也能改善焦深，也就是當光阻劑上的影像具有可接受的清晰度時，鏡頭與影像之間的距離。先進的晶片製造過程特別注重焦深，因為晶圓表面上最細微的不平整，都可能會破壞成像。应用浸润式的微影技术，可以在晶圆上投射出更微小的电路，但是水里的气泡会使电路的完整新受到破坏林本堅的演說帶來了挑戰。193奈米的浸潤式微影技術可能成為現有技術的延伸，因此

7、或許不必再花上10年或更久的時間，就可研發出使用不同波長光波的微影技術儀器。然而，浸潤研究的偶然出現雖然可回溯到1980年代，但沒有人知道這項技術是否可行。潑灑在晶圓上的水，也可能引發大災難。當機台上的晶圓以每秒50公分的速度移動時，其間形成的微氣泡可能損及晶圓上的成像。2002年12月，半導體研究聯盟召開研討會，100多位來自儀器與晶片製造公司以及科學界的研究員齊聚一堂，列出他們認為浸潤式微影技術堪慮的事項。研討小組認為這項技術若想成真，必須先克服10項基本障礙，包括：模擬水對鏡頭與光阻劑的可能傷害，並且了解

8、水真正的基本物理特性等。波長193奈米的光波在水中的折射率，目前只測量到小數點以下兩位。半導體研究聯盟資深會員、同時也是這些早期會議的主持人特里布拉（WalterJ.Trybula）表示：「大家都同意，我們必須得到小數點以下五位、甚至可能是六位的數據。」折射率為光波在真空與介質（如水）中的速度比，基本上可測量出水或其他介質改變光波前進方向的能力，也是決定數字孔徑的重要參數。氣泡的行為是