志祺七七
2021.09.17

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

各節重點:
00:00 開頭
00:56 IC晶片是怎麼製成的?
01:40 微影技術是什麼?
02:41 卡關20年的微影技術
03:56 最先進的微影技術EUV
04:56 集頂尖技術於一身的EUV
06:41 開放創新的ASML
08:12 我們的觀點
09:43 結尾


---【 影片口白逐字稿 】---


還記得去年夏天有個新聞是,路上出現了幾台,價值台幣三十億起跳的白色超長貨櫃車嗎?有人說,看到這個標誌的貨車最好閃遠一點,不然一不小心撞到,是絕對賠不起的。今天,就讓我們來聊聊這個神秘貨車背後的故事吧!

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hiho~大家好,我是志祺!
剛剛提到的那幾台貨車,裡面裝的東西加起來,可能比一台波音的民航飛機還貴,而且還跟我們日常生活隨處可見的手機、平板、筆電、還有各種3C產品都很有關係唷!

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」。


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【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,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。


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【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。


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【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、還有使用的化學物質,都可以說是世界上最頂尖的技術。


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【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,把光打在「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!


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【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,也有機會上看年薪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~掰比!

【 本集參考資料 】

→半導體之島:https://bit.ly/3znkTK1
→【Did You Know? 如果EUV機台是印表機📄】:https://bit.ly/3khCXRF
→ASML in 1 minute:https://bit.ly/3nI3LNc
→Zoom in on the chip in your smartphone:https://bit.ly/3ErG4yj
→Be part of progress, work at ASML in Taiwan:https://bit.ly/3lCfU3D
→TRUMPF EUV lithography – This all happens in one second:https://bit.ly/3EsSOVG
→The Tech Cold War’s ‘Most Complicated Machine’ That’s Out of China’s Reach:https://nyti.ms/3tP9lyf
→挽救摩爾定律:ASML 極紫外光(EUV)微影技術量產的開發歷程:https://bit.ly/2XlfyFY
→【一圖弄懂半導體】台積電與英特爾在追趕的奈米製程是什麼?:https://bit.ly/3EoKdTL
→半導體產業鏈簡介:https://bit.ly/2Xuo8Cw
→半導體解密:ASML光刻機憑什麼能一廠獨大?台積電總能買到最好的光刻機?ASML有對手嗎?:https://bit.ly/3zgyTWc
→EUV 極紫外光!一個你應該知道與 台積電 相關的技術:https://bit.ly/3EkWPeN
→「撞到要賠 30 億台幣的卡車!」台積電背後的「靈魂軍火商」求人才不惜下重本:https://bit.ly/3nGPFvp
→ASML來台設技術培訓中心!助攻台積電先進製程,年產360位工程師:https://bit.ly/3CkthMl
→EUV 設備每台重量高達 180 公噸,每次運輸必須動用 3 架次貨機:https://bit.ly/3tKgHDa
→工業技術與資訊月刊:https://bit.ly/3lACp8O
→EUV世代 ASML靠併購賺到關鍵技術:https://bit.ly/3tNJ8zU
→簡單的光學突破 3C 科技瓶頸:浸潤式微影:https://bit.ly/3nDvGxG
→摩爾定律的華麗謝幕:EUV微影機:https://bit.ly/3CjoWcd
→微影製程再進化!複雜電路的祕密:https://bit.ly/3Coosl4
→Materials challenge 193-nm optics:https://bit.ly/3lxYZyX
→深夜神秘貨櫃車解密 EUV體驗車今明停靠成大:https://bit.ly/3zj9Q4T
→ASML加碼台灣 大舉徵才600人:https://ctee.com.tw/news/tech/427933.html
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