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第二課: 神奇的曝光機 − 光波波長的摩爾遊戲

積體電路線路的解析度約略等於曝光機所使用的光源波長；因此光源波長也就主導了摩爾定律的進程：(1)1984 – 1990年間，汞燈產生的436奈米波長紫外光G-line主導了1.5 微米到0.8 微米的技術節點(Technology Node)製程，(2)1991 – 1996年間，汞燈產生的365奈米波長紫外光I-line主導了0.6微米到 0.35 微米的製程，(3) 1997 – 2001年間，KrF雷射光源產生的248 奈米波長深紫外光(DUV)主導了0.25 微米到0.13 微米的製程，(4)2002 – 2019年間，ArF雷射光源產生的193 奈米波長深紫外光主導了90奈米到7奈米的製程，(5)從 2019年至今，CO₂ 雷射激發錫原子產生的13.5 奈米波長極紫外光(EUV)主導了7、5、3奈米的製程。依據摩爾定律，積體電路晶片內電晶體數目每20個月會加倍(即每個電晶體面積減半)，因此每世代的半導體製程圖案線路的線性尺寸得以依照70%比例微縮，產生了0.5、 0.35、 0.25、 0.18、 0.13微米以及90、60、40、28、20、14、10、7、5、3、2 奈米大家所熟知的技術節點。

從2002年193奈米波長的DUV量產之後，人們一直沒有辦法開發出一個技術去提供波長更短的曝光機光源，直到2019年才開發出可以用來量產的穩定產生13.5奈米波長EUV的技術。在這漫長的17年期間，台積電挑戰了光波的物理極限，成功的將DUV延伸應用於7奈米技術節點，這應歸功於台積電在「文化」和「技術」兩方面都完全的發揮了勤能補「拙」(自然的拙，不是台積電的拙)的精神。在「文化」方面，台積電首創24小時三班輪班的研發制度以加速摩爾定律的進度，並傳承了台灣「擠」和「彈性」的摩托車文化，以及如龜兔賽跑般持續且逐步改善(Continuous & Incremental Improvement)的文化。以我親身的經歷，在1990年到1995 年的5年內，台積電並沒有完全遵循摩爾定律，而是漸進式的逐步開發了0.8、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45微米到0.35微米八代製程技術，一小步一小步的加速追趕摩爾定律；而且每一個技術節點的製程模組或使用的材料，會被繼續使用到下面幾代的技術節點，直到真正無法使用，才更換新的模組或材料。在技術方面，台積電以勤能補「拙」的勤勞刻苦精神及堅實的工程能力，利用浸潤式曝光(Immersion Lithography)、相位移光罩(Phase-Shift Mask)和多重曝光(Multiple Exposure)等繁複的技術，突破物理極限，成功的將193奈米的DUV應用於 7奈米的技術節點。由於193奈米的DUV成功的量產7奈米的技術節點，當EUV曝光機技術成熟時，台積電得以繼續使用EUV量產7奈米及5奈米技術節點。反之，英特爾(Intel)使用193奈米的DUV開發量產10奈米技術節點製程不順利以後，進退失據，也讓台積電取而代之奪得領先的寶座。以上台積電完勝Intel的過程和因素，是我個人的看法和理解。Intel新任的執行長Pat Gelsinger在2021年3月24日舉辧的”Intel重返榮耀”(Intel Unleashed: Engineering the Future)的大會上也做了類似的解讀: “When Intel initially designed 7 nanometers, EUV was still a nascent technology so we developed our process to limit the use of EUV. But this also increased the process complexity. As EUV then matured and became more reliable, we experienced the domino effects (骰牌效應) of our 10-nanometer delay which pushed out 7-nanometers and ultimately put us on the wrong side of the EUV maturity curve.”

講到光波波長的摩爾遊戲，就不得不提到鬼斧神工、巧奪天工的EUV曝光機。EUV光源的産生，就像太陽(恆星)用高溫高熱的能量暴力產生光一樣。EUV曝光機産生光的原理是使用 CO₂雷射轟擊錫滴(每秒滴五萬次)，將錫滴蒸發成氣體，並使氣體變成電漿(Laser Produced Plasma, LPP)。當電漿溫度高達4x10⁵ ºC(30eV), 其能量激發錫原子，形成帶多價電離子的高能階狀態(Sn⁺⁸ –Sn⁺¹⁹) 。當高能階狀態的多價電離子和電子結合，回到較低能階的離子狀態或原子時，就會產生EUV。一台輸出功率為250瓦的曝光機，需要輸入1.25 MW的電力(轉換效率 0.02%)，工作一天就會消耗3萬度電(一般家庭用戶一天平均用電約10度)。EUV的技術突破及對人類文明的影響，將來應該有機會獲頒諾貝爾獎。

EUV曝光機的出現加上電晶體的3D立體化(包括已量產的FINFET以及開發中的閘極全環電晶體(GAAFET))，使得摩爾定律沒完沒了，短期內看不到盡頭。

另外一個有趣且重要的突破性發展是逐漸昇起的第二顆人造太陽：MIT的Commonwealth Fusion Systems(CFS)正在研發的核融合系統。EUV曝光機是用 CO₂ 雷射在光束焦點(Beam Focus)小區域範圍內激發產生高溫(4x10⁵ ºC)高熱的錫電漿，因此這高溫高熱電漿便不會碰觸到反應爐的側壁，當高能狀態錫離子掉回低能狀態時，就產生EUV光源；而CFS的核融合則用磁場去匡住高溫(1x10⁸ ºC) 高熱的質子/電子電漿，使其不碰觸反應爐的側壁，並使其產生核融合反應，而輸出巨大能量。第一顆人造太陽EUV已經成功量產；如果MIT CFS核融合的第二顆人造太陽能受到EUV曝光機的啓發和鼓勵，成功運轉，輸出巨大能量，則這兩顆人造太陽相輔相成，將徹底改變人類的文明。

(本文係依據林董事長刊登於2021年11月16日電子時報專欄的文章修訂而成。)

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