人類史上最精密的設備！全世界半導體產業都靠它？｜志祺七七

有觀眾可能看過去年9月我們製作的一集影片介紹了「半導體產業都在幹嘛」，不過那一集在講完「半導體」還有「IC晶片」的基本介紹後，接著在講的主要是位於半導體產業下游的「封裝測試」產業。而今天我們想要往上一層來聊聊半導體產業鏈中游的「IC製造」。但這裡面的內容可能還是太多，所以我們切更細一點，剛好藉著這個「最貴的貨櫃車」的話題來聊聊製造高階晶片絕對不可或缺的「微影技術」。

【IC晶片是怎麼製成的？】

我們先來簡單複習一下上一次講到的內容。半導體就是那些導電性可以被控制的物質，因為這個可以切換「導電」跟「不導電」的特性，就讓他們很適合拿來做成「積體電路」，也就是俗稱的「IC」，再藉由通電的變化來運作程式，而隨著晶片上面電晶體越來越多、電路越來越複雜、性能也越來越好、速度越來越快、可以執行更多更複雜的任務，也就讓我們有更強大的3C產品可以使用。而要讓晶片性能越來越好的關鍵就是要在「矽」做成的「矽晶圓」上面透過「微影曝光」，做出一層又一層的電路，但這說起來簡單，實際難度卻是非常高的。

【微影技術是什麼？】

大家可以把微影技術想成日常生活中隨處可見的「影印機」一樣，我們用影印機，把想印的內容，印到一張紙上。而微影技術呢，則是透過一整套的「微影設備」，把預先設計好的「電路圖」，刻印到晶圓上。我們想像中的「雕刻」可能是用一些刀子或機器來雕出想要的紋路和形狀，但在「矽晶圓」上面要雕出複雜的電路圖就得要靠「光」來達成了，不過這可不是隨便的光都能辦到，必須要透過精密的「光罩」，還有特殊的「光線」來完成。

首先，要在光罩上面，印上鏤空透光的電路圖，然後把光罩放在要雕刻的晶圓上方，再讓光線照過去。這樣子在晶圓上面就只有電路圖的圖案會「曝光」，再搭配顯影液的化學反應，就可以順利把電路圖刻在晶圓上面了。這整個流程，其實跟傳統攝影「曝光」和「顯影」的原理很像，但精密的程度可是完全不同。因為太困難，所以這整個技術甚至還曾經卡關了二十年，都沒有前進。

【卡關20年的微影技術】

微影技術的困難點在於，這一切都太「小」了。大家應該可以想像，如果我們想在一個晶片上面刻出更精密、更複雜的電路，那光罩上面的洞，也就是電路跟電路之間的線寬，一定就會越來越窄，這個線寬如果小到比照射它的「光源」的波長還小，那就會產生繞射的現象，讓圖案的形狀失真，導致規劃好的電路，沒辦法正常運作。而要解決這個問題，就是要把光源的波長給縮短。

大約在1990年代左右，主流的「乾式曝光」微影技術就已經把光源的波長，從436奈米逐漸縮短到193奈米的紫外光，但如果還想繼續縮短，把更精密的電路放到晶圓上，就會遇到「鏡片」在物理上的極限，這個193奈米的關卡，當時大家都認為很難突破。不過，當時台積電的研發副總經理 - 林本堅，就與荷蘭的ASML公司共同研發出「浸潤式微影」技術，把原先193奈米設備的鏡頭，浸到水裡，透過水的折射巧妙地產生等同於波長134奈米的微影效果，成功突破了「乾式微影」的極限，讓整個產業的技術又能夠持續演進下去。

【最先進的微影技術EUV】

這個「浸潤式微影」的技術一直發展下來，最關鍵的突破，就是縮寫是「EUV」的「極紫外光」技術了。剛剛我們講到，當年透過水的折射，產生134奈米的微影效果就已經是很了不起的技術成就了，但目前最先進的EUV技術，則是可以把光的波長，再壓縮到13.5奈米。雖然這個技術早在1980年代就被提出來，但一直以來都比較像是實驗室裡的技術，很難實際在產業中應用。一直到2017年，荷蘭公司ASML才宣布能夠量產「商用EUV」的設備，有不少人認為，EUV技術的順利量產，讓半導體產業中最重要的「摩爾定律」又能夠延續下去。換句話說，整個產業又能繼續開發出更先進的製程製作出效能更好的晶片，而這個EUV呢，就是我們片頭那台神秘貨櫃車裡面裝的機台了，整組機台裡面，包含光的來源、反射鏡、自動化技術，都可以說是世界上最頂尖的技術。

【集頂尖技術於一身的EUV】

舉例來說，像是在鏡頭的部分，ASML公司就找來知名的鏡片廠商「德國蔡司」合作製造專屬EUV的反射鏡。這個鏡子可能是全世界最光滑的鏡子，得要花上好幾個月的時間製作、打磨、拋光，然後塗上複雜的塗層。打個比方來說，如果將這面反射鏡想像成地球的大小，那麼整面鏡子上面可以被容許的突起，就只有人類的頭髮這麼小，對於光滑程度這麼要求是因為EUV這麼短波長的光，很容易會被透鏡和反射鏡的玻璃給吸收，所以必須要在真空環境之下有絕對光滑的、一層又一層的鏡子，才能把光源準確聚焦在光罩上，而光罩上面刻的電路圖，也才能精準地在晶圓上面顯像。另外，在光源的部分，ASML則是收購來自美國的Cymer公司並開發出250瓦的光源，並且透過德國Trumpf公司的「CO2脈衝式雷射系統」，在真空室裡面以「每秒五萬次」的頻率精準地連續兩次把光打在超高速移動的「液態錫滴」上面，藉此製造出EUV這種「極紫外光」，而EUV機台厲害的地方，就是把這些頂尖設備都裝在一起，為了保持品質穩定，機台的防震和無塵規格也都是頂尖等級。

那根據我們找到的資料，一台EUV設備所有的器材儀器加起來有超過10萬個零件，重量就高達180公噸，每次運輸必須動用三架波音747、40個貨櫃、20輛卡車才能運送，那它運送到目的地後，還必須組裝起來，所以像台灣這邊，也有專門的團隊負責，而這部分呢，就得提到我們今天這集影片的合作夥伴ASML跟台灣密不可分的關係啦！

【開放創新的ASML】

創立於1984年的ASML，最早是「飛利浦」集團的一份子，1990年才從集團獨立出來。根據ASML執行長 Peter Wennink 的說法，他們能夠順利克服各種困難，成功量產商用的EUV設備，是因為ASML採用了「開放式的創新架構」把世界各地頂尖廠商的技術，都整合在一起，包含剛剛提到的德國鏡片雷射技術和美國的光源，還有吸引了半導體大廠像是台積電、Intel，還有三星的投資。而ASML跟台灣的關係也非常密切，目前在台灣的林口、新竹、台中、台南都有據點，全部員工加起來將近3800人，可以說台灣就是ASML在亞洲最大的據點，而且ASML非常重視台灣的人才價值，由於EUV的技術非常困難，無論是運作、維護、甚至持續創新都需要台灣高品質的半導體人才，那這方面，ASML就提供非常扎實的培訓，平均一個工程師要花500萬到600萬的成本培養，而且，他們每年都非常積極在台灣徵才，比方說今年3月的時候，就把那台「EUV白色貨櫃車」開進各大校園，讓大家可以現場用AR技術，體驗EUV的運作。那從學生的獎學金、實習生，到正職人員，薪資福利、其他待遇還有升遷管道，ASML也都相當優渥! 像是負責客戶端支援的工程師，即使是碩士新鮮人，加上輪班津貼後有機會上看年薪150萬，那這方面詳細的資訊，就請大家再參考我們放在資訊欄的連結囉！

【我們的觀點】

這次在製作這集影片的時候，印象最深刻的，應該是看到很多人對ASML的花式稱讚。比方說有人說這是「你沒聽說過的最重要公司」，或者，IBM的副總裁還曾經說EUV是「人類製造過的最複雜的機器」。那我們原本比較沒那麼熟悉EUV，一開始還想說，這也太浮誇了吧 ! 但研究下去確實發現，要實際把這種設備給量產出來，真的是相當艱難，尤其是看到EUV出現後，有一個很重要的意義是讓半導體產業中的「摩爾定律」能夠再延續下去一個世代。這就讓我聯想到剛結束不久的奧運，我們透過螢幕透過報導，看到的可能是某某運動員，又突破一個世界紀錄了，但在這樣的突破背後，可能還有非常多專業的運動科學人員、治療師、訓練員，和教練、選手一起，日復一日、年復一年的在極小的細節上調整修正，才能協力打造「破紀錄」的結果。

那半導體產業也是類似的情況，在我們平常看不到的地方，產業裡上中下游的公司們、還有學術界的研究都持續在各個微小但重要的地方挑戰人類的極限，這個「微小」還真的就是字面上的意思，有點像是ASML他們自許的「在奈米的維度下，持續創新，改變世界」，而最終這些突破的成果就是讓我們能享受到更進步的科技，還有效能更強大的產品吧！

那今天其實還有不少東西都可以再好好聊聊，比方說剛剛講的「摩爾定律」就是大家可能都聽過的生難字彙，這個我們就有機會再來聊聊吧！最後，如果你喜歡今天的影片，歡迎分享出去讓更多人知道半導體產業中關鍵的「微影技術」是怎麼運作的。另外也可以點這邊看看「半導體產業」還有「5G產業」的討論。那麼，今天的志祺七七就到這邊告一段落。

我們明晚再見囉～