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光罩與先進製程的矛盾

更新於 發佈於 閱讀時間約 7 分鐘
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在所有半導體製程裡,光刻是一道至關重要的步驟。它就像是電路設計的照相術——利用一道光,把複雜的晶片圖樣從:光罩(reticle),這塊玻璃轉印到晶圓上。長久以來,幾乎所有業界使用的 reticle 大小都被定在 6 吋,這是一個早在 1980 年代就確立下來的規格。它默默承擔起半導體設計與製造的資訊轉換工作,固定地躺在曝光機的舞台上,被一道道光線掃描、投影、縮印,將微縮電路圖樣轉移到矽晶圓上。

大多數人從未懷疑這塊玻璃的尺寸,它就這樣被沿用了幾十年,彷彿已成為微影設備理所當然的一部分。然而,隨著 EUV 曝光機的推進,我們開始注意到:即便使用最先進的系統,一次曝光的面積依然極小,約莫只有一張郵票的大小。這樣的面積限制不完全是技術能力的問題,而更像是一種歷史設計的延續。業界早在多年前就為 6 吋 reticle 建構了完整的檢查、對位與製作體系,要更動其尺寸,牽一髮而動全身。

這套架構原本運作良好,直到 High-NA EUV 出現。為了提高解析度,系統不得不降低縮放倍率,導致單次曝光範圍變得更小,也讓整體 throughput 明顯下降。這個長久以來被視為穩定的規格,第一次成為量產效率的瓶頸,重新被推上檯面討論。


光罩標準是怎麼被定下的?

最早期的光罩設計是等比例的光罩,也就是 1:1 contact mask,圖案直接以相同比例轉印到晶圓上。然而這種方式在解析度與缺陷控制上很快遇到瓶頸,因此業界開始轉向縮小投影系統(projection lithography),透過縮小倍率將光罩上的圖形縮印到晶圓上。

到了 1980 年代,4 倍與 5 倍縮放倍率的投影系統逐漸成為主流,而「6 吋玻璃 + 4× 縮放倍率」這組組合成為業界的標準。這樣的設計在當時可說是多方條件下的最適平衡。一方面,6 吋玻璃在製造上已具備足夠成熟的技術與良率;另一方面,配合 4 倍縮小倍率後所產生的影像範圍約為 26×33 mm2,剛好適合當時掃描式曝光機的運作模式,也能控制光學鏡頭的體積與重量。

更重要的是,這套尺寸與倍率的組合定下來之後,整個微影設備與生產鏈也就跟著建制完成。寫罩機的尺寸、光罩載具(reticle pod)的規格、對位系統的精度與行程、甚至是後段檢測設備的感測器設計,全都以這個標準為基礎優化。久而久之,「6 吋 reticle」就從技術選擇變成制度規範,成為整個半導體產業鏈難以撼動的默契。


DUV 跟 EUV 光罩有什麼差?

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邊喝邊想
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