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《Smart投資半導體》：認識「微影製程」，艾司摩爾為何能主宰極紫外光時代？ - The News Lens 關鍵評論網
Source文：禹皇帝（우황제）
用光線刻畫線路圖形！
微影製程，在晶圓上繪製電路
如同電動車、飛機、電話和建築物都有獨有的外觀，半導體也有自己特有的形狀。晶片從外看來只是一片指甲般大小的正方形，但半導體晶片內部結構組成非常複雜。晶片的內部結構與複雜的高樓大廈類似。半導體依其獨特的構造有各種不同的功能，無數個電子訊號沿著複雜的配線移動與運作。
在覆蓋氧化膜的晶圓上，堆疊多種結構，最後完成半導體產品。這個過程，需經過數百個以上的各種製程。有些半導體的製程，甚至還超過一千個。在這些製程中，將形成晶片的結構製成特定形狀視為非常重要的製程。就如同在建造數百公尺高的大樓時，連幾公分的誤差都不能容許一樣，半導體甚至連奈米單位的誤差都不容許。微影製程的技術（在基板上蝕刻出需要的電路或線路圖形），可以說是半導體製造的命脈。
在過去使用底片相機的年代，相機光圈打開、「喀嚓」聲響起的瞬間，大量的光線透過光圈進入相機後，在底片上形成我們想捕捉的影像。而後拍好之後的底片，交給相館沖洗後才能顯影。但如果在沖洗照片之前不小心打開相機蓋子的話，底片就必須作廢了。因為底片表面上有一層感光化學薄膜，薄膜塗有可以感測光線的的感光乳劑，在光圈打開的瞬間就會對光線反應，而形成意料之外的化學反應。底片成像之後，從外觀上看起來幾乎沒有任何變化。然而，如果使用顯影劑和定影劑引起底片的化學反應，拍攝的影像便會清晰地顯現在底片上，最後用光照射底片，將底片的影像投影在相紙上，就會形成我們看到的照片。
晶圓也是透過類似這種曝光和顯影的微影製程產出。要說有什麼不同的話，為了曝光出更精密的電路圖案，會在製造過程中大量使用如旋轉塗布、熱處理或是檢測工序等輔助製程。此外，利用光阻塗在晶圓上，接著透過光罩將精細圖案照射在塗有光阻的晶圓上，然後進行蝕刻和沉積製程。半導體晶片的製造過程，就是不斷重複進行這種曝光顯影製程。
微影製程依據在曝光過程中，用來形成圖案的的光源種類，可分成光學微影（optical）、聚焦離子束曝光（focusedion bean）、電子束微影（e-beam）、X光微影（x-ray）等等，半導體製程一直以來完全依賴微影技術。使用的光源則是，具有強大能量、容易改變材料化學鍵的紫外線。反之，相較於光學微影，離子束和電子束的解像力更高；然而，離子束和電子束無法在晶圓上發射大量且均勻的光束，所以不適用於大量生產。因此，離子束和電子束曝光，大部分只有在實驗室和學校，以研究開發為目的階段。
多虧了微影製程的發展，半導體得以愈做愈小。因為光波的繞射現象（光波遇到障礙物後偏離原本的直線路徑的現象），不同的光決定線路圖案的精細程度。而為了刻出更精細的線路圖案，科學家不斷地研發極紫外光（Extreme Ultraviolet，EUV） 和X光曝光技術。X光曝光技術， 從一九七○年代就開始研究，雖然至今尚未商業化，但依然被認為是「新一代曝光技術」。X光是指波長為0.01∼10奈米的光，目前極紫外光微影技術已經發展至13.5奈米左右，6.7奈米以下的光源被稱為BEUV（beyond EUV），而之所以會這麼常被提到，是因為它與半導體產業息息相關。
儘管如此，若要進行X光微影，最大的挑戰是設備和材料技術的限制。因為生成光源的技術中，能感測光線的感光材料、引導光線前進的透鏡材料或是光罩材料等技術，全都因技術門檻過高而難以發展。僅是改變光源，業界使用的材料和元件就得完全替換，由此可以推測，這樣的改變會衍生出相當高額的成本。
儘管艾司摩爾為了這些新一代技術研發投注了相當多的心力，但是現在其實更專注於開發能使現有極紫外光更進步的技術。因為無論做出什麼樣的選擇，要在「不可能」的領域裡尋找「可能」絕非易事，但起碼這個選擇還是有些勝算的。經歷這些過程，極紫外光微影設備的性能日益發展，利用紫外線曝光出更精細的電路圖形的技術，也不斷推陳出新。
艾司摩爾是如何開始主宰極紫外光時代的？
艾司摩爾的選擇與專注，獨占全球曝光機市場
微影製程是集光學技術、材料技術、機械工程技術、細微加工技術、精密控制技術、軟體技術等先進技術於一身的製程。雖然我們簡單用「利用光照在晶圓形成電路圖案的過程」來描述微影製程，但其實要在不到一秒鐘的時間內，動用高科技讓感光劑起最大的化學反應，可是讓科學家們也瞠目結舌。
當NASA發射太空船，伊隆．馬斯克（Elon Musk）要將人類送上火星時，所有人都圍著電視目不轉睛地守著畫面，邊歡呼的同時也止不住讚嘆。但是對於半導體界的人來說，曝光機在這麼短的時間內，邊移動晶圓的同時、邊照射光線的這件事，比將太空船送上外太空還要神奇。荷蘭半導體設備商艾司摩爾之所以能壟斷曝光機市場，背後也是得益於這樣的技術。
艾司摩爾的曝光機是由大量的零件組成的，極紫外光曝光機更是有超過八千個以上的零組件。這些零組件的供應商都有自己的獨家技術，像這樣的零組件供應商就多達一千家，設備的複雜程度不在話下。晶圓會依循光刻畫出來的路線圖案，以奈米為單位精確地同步移動。這個過程中，在與貨櫃一樣大的曝光機裡，為了降低反射率與光源損失，必須將環境維持在真空狀態。
艾司摩爾集光學技術於一身，也被稱為是歐洲半導體技術集合體。艾司摩爾的企業成長動能來自其核心技術、元件共同研發、完善價值鏈、積極併購、與歐洲無數一流的研究機關和台積電等企業的密切合作。數十年來，艾司摩爾從不分心於其他領域，將所有資源集中在新一代曝光機的研發。這些因素帶動了良性的加乘效應，也造就現在艾司摩爾在半導體產業中，呼風喚雨的領導地位。
相反地，擁有全球最佳光學技術的尼康（Nikon）和佳能（Canon）因自身封閉的公司文化，並未積極進行海外企業併購與技術合作，而是專注發展獨家技術而未能成功進軍艾司摩爾搶占的市場，最後只得把半導體光學市場拱手讓給歐洲。也因此，艾司摩爾成為極紫外光時代的最大受益者；這是因為，早在推出極紫外光之前，艾司摩爾就已經一馬當先。
獨家壟斷全球曝光機製造市場的艾司摩爾是「超級乙方」，連台積電和三星電子都不得不含淚向其購買設備。不過，也有其他公司是艾司摩爾必須仰賴的，那就是在價值鏈中為艾司摩爾提供元件和技術的企業。這些世界級企業擁有其他公司模仿不來的獨家技術，是艾司摩爾堅實的策略合作夥伴。
而其中一個例子，便是蔡司（Carl Zeiss）。對眼鏡或是相機領域有興趣的人，一定聽過這家德國鏡頭專業製造商。蔡司以全球最佳鏡頭製造技術，為艾司摩爾提供曝光機的透鏡和反射鏡等核心光學元件。蔡司出於與艾司摩爾深厚的合作關係，以及出售部分子公司股份給艾司摩爾，兩家公司進而共同進行新一代透鏡研發，並獨家供貨給艾司摩爾。
兩家公司緊密合作、共同研發高數值孔徑（numericalaperture，NA）透鏡等核心產品，成為領先全球開發新一代極紫外光微影設備的原動力。二○一六年，艾司摩爾在這樣的背景之下，收購了蔡司SMT（Carl Zeiss SMT，蔡司半導體）約四分之一的股權。因為獲得研發曝光機的核心元件和技術十分重要，所以除了蔡司SMT之外，艾司摩爾持續透過併購其他公司獲得曝光機設備相關技術，以取得開發新一代設備的能力。
雖然底片的成像可以幾乎分毫不差地轉印到相紙上，但是在以奈米維度的微影製程裡，奈米大小的圖案要轉印在晶圓上，可能無法如預期那樣，那麼精確的轉印出預設的圖案。因此必須依不同的曝光條件去調整光罩形狀、事前繪圖計算不同製程的圖案，進行良率的模擬作業，以及還需要各個曝光機模組在晶圓上形成的異常圖案的關連性分析工具。這也是為什麼，二○○七年艾司摩爾要以2億7000萬美金收購專門做運算式微影（ComputationalLithography）技術的美國企業Brion Technologies。
線路圖案成形後，還必須透過測量持續進行校正，但在以奈米為單位的情況下進行精密測量有一定的難度。因此，艾司摩爾在二○一六年以31億美金收購了台灣的漢民微測科技（Hermes Microvision），並建立了包含圖案設計到圖案成形檢測的綜合解決方案。另一個艾司摩爾以大膽的投資方式鞏固自身地位的例子，是在二○一三年收購美國半導體微影光源製造商西盟科技（Cymer）。
EUV曝光技術，高功率與光源精度築起技術高牆
有許多人可能會誤以為「半導體不就是將紫外線打在晶圓上就做得出來的嗎？」但其實要生成波長短的強力光線，是極度困難的事情。極紫外光技術在一九八六年由當時任職於日本電信電話公司（NTT）的木下廣尾（HirooKinoshita）提出，而後二○○六年，艾司摩爾成功研發出極紫外光曝光機，但當時的技術並不成熟，又過了十年，也就是二○一八年，才真正使用在量產製程中，不難想像技術研發有多麼艱難。也就是說，不成熟的技術阻礙了商業化的進程。
以前的微影製程是使用準分子雷射生成紫外光。然而，這種方式在生成極紫外光時遇到了難題——難以生成高功率光源。製造出一種在盡力降低原料和電力消耗的同時，還能在不到一秒的時間內轉印、刻畫感光劑分子的光源，比想像中還要困難得多。為了提高晶圓上的化學反應，必須將大量的能量傳達到晶圓表面，而為了維持一定的生產速度，必須使用曝光時間短且高功率的光源。
實際上，早期的極紫外光微影設備的功率只有10W，比一般量產時所需的功率100W低上許多（早期因為極紫外光曝光機光源能量不足，無法應用在量產上）。由於功率低，所以需要更長的曝光時間才能將能量充分傳導到晶圓上，因而拉長了生產時間。原本一小時必須曝光250片晶圓的曝光機，現在連100片都處理不了。若曝光機無法一次曝光多片晶圓，就必須使用比現在更多的曝光機才能維持產量，這樣一來，單價就會自然而然地提高。
光源精度與高功率一樣重要。光的波長愈短、能容許的波長誤差也愈小，生成13.5奈米的光時，不會剛剛好只有13.5奈米，而是連周圍的波長也會一起生成，導致出現意想不到的變數情況。因此，極紫外光必須由誤差範圍在2%以下的13.5奈米波長形成。
此外，光從光源出發到抵達晶圓為止，中間不斷重複縮小與放大的過程中，光源的特性必須保持一致。而能滿足這些條件的技術當然非常有限。因此在生成極紫外光時，會使用名為LPP（Laser Produced Plasma，雷射電漿）的技術，將高功率雷射集中在錫材料上，形成高溫、高密度電漿後，釋放出極紫外光源。電漿中產生的光會在不變形的情況下，將極紫外光透過有聚焦功能的鏡子，聚集在一個點上，然後再透射光罩並抵達晶圓。
目前因為7奈米製程中使用的艾司摩爾極紫外光曝光機產能偏低，必須解決投資成本過高的問題並改善設在極紫外光出現之前，半導體的曝光機光源技術市場是由西盟科技和日本極光先進（Gigaphoton）兩家企業瓜分。
雖然這兩家企業的技術，其他公司難以超越，但西盟科技卻以壓倒性的技術能力展現出比極光先進高兩倍以上的市占率。最後，西盟科技在生產極紫外光時需要的LPP技術方面壟斷了整個市場。在美國前總統川普在任期間掀起的美中貿易大戰當中，艾司摩爾之所以放棄向中國出口極紫外光微影曝光機，原因其實在於光源技術。保有極紫外光的原創技術的，是西盟科技所在的美國。
艾司摩爾在二○一二年，以30億美金（約台幣927億9500萬元）收購西盟科技。即使艾司摩爾以鉅額收購西盟科技，將西盟的光源技術變成自家所有，但卻仍無法隨意出口曝光機，這是因為光源技術是各國視為戰略物資的尖端技術。根據瓦聖納協定，被列為戰略物資的技術不能出口。實際上，美國甚至直接以這個協定為理由，要求荷蘭禁止EUV出口。
雖然部分原因在於，美國為了避免極紫外光技術被使用在軍事武器上，但是究其根本，可能是在於擔心中國因此取得半導體技術。當然，撇除這些理由，艾司摩爾也沒必要非得將設備出口至中國不可。因為在往後的數年間，排隊訂購曝光機的企業依然會大排長龍，在持續增加產量也依然供不應求的情況下，不管賣不賣中國，都能坐著數鈔票。
聚焦艾司摩爾以外的EUV設備製造商
前面提到的獨家透鏡與光源技術，只是極紫外光微影設備眾多要素的一小部分而已。極紫外光微影設備中使用的各種零組件和材料，只是和生產太空船的新材料種類不同，生產難度其實不相上下。能精準移動晶圓和光罩的機器組件也是如此，就連看似微不足道的反射鏡，也是由數千種尖端材料組成的。
光源透過曝光機裡的透鏡跟反射鏡、光罩抵達晶圓，但是全世界只有兩三家企業能生產透鏡、反射鏡、光罩和晶圓上使用的感光材料。而且紫外線的波長很短，容易被透明物體所吸收，降低了晶圓的良率。若為補償吸收所造成的損失而加強光源功率，不但技術受限且原料用量也得增加，無法一味地增加光源功率。因此，光源路徑中使用的零件，可說是動用了所有的技術來將光損耗降到最低。三星電子和台積電不惜將每片要價數億韓元的玻璃光罩，在沒有保護膜的情況下用於EUV製程，願意承擔更換費用的原因就在這裡。
此外，微影製程中使用的揮發性材料會不斷地揮發，容易汙染光學系統並造成光損失。為了防止產生這種現象，必須將曝光機維持在高度真空狀態，而這也會產生額外的成本。另外，在光行進的過程中，改變波長或是引起漫射現象都是不被允許的，因為這也會導致線路圖案被破壞、降低良率。因此，從外觀上看起來就像一小塊玻璃的光罩，其實是由一種光穿透時熱膨脹係數低、擁有特殊光反射率但鮮少為人所知的特殊材料，堆疊好幾十層以上所製成的。光罩製造技術極其複雜。例如在生產光罩製程中，在堆疊層與層的過程中，層間容易出現瑕疵，因此，日本HOYA等少數企業獨占了全球光罩市場。
除了曝光機使用的核心零件和材料以外，為了確保製程順利進行，也會動用各種尖端技術。檢測光罩缺陷的APMI（Actinic Patterned Mask Inspection System）設備，和24萬個以上電子束同時繪製線路圖案的電子束微影設備，就分別由日本的雷泰光電（Lasertec）和奧地利的艾美斯（IMS）這樣的公司，以獨家技術壟斷市場。在艾司摩爾曝光機產能不足的情況下，台積電和三星電子展開了曝光機爭奪戰，SK海力士、美光和英特爾則是連買都買不到。正因如此，在各種檢測與電子束微影設備方面，這些企業也正進行著無聲的激烈競爭。
書籍介紹
本文摘錄自《Smart投資半導體：掌握半導體生態系一本通，材料、設計、設備股完美分析！》，新樂園出版
作者：禹皇帝（우황제）
譯者：陳家怡、林志英
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作者禹皇帝主修半導體，長年針對產業分析超過200家的企業，「文組生也能理解的尖端產業」系列演講，毫無保留地將他扎實的內功投入到這本書中。為讀者架構完整的半導體產業藍圖，特別適合「想投資半導體，但卻不知道從何下手」的讀者。
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責任編輯：翁世航
核稿編輯：潘柏翰
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