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伦晶头解
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1 奈米科技創新教育資源之研發與推廣中心種子教師研習營前瞻奈米製程 - 樂高奈米建築師成大光電系林俊宏教授成大奈米科技研究中心鍾崇仁博士

2 前瞻奈米製程 - 樂高奈米建築師艱深複雜之半導體製程技術 3D-IC 矽穿孔離子蝕刻製程離子蝕刻機制蝕刻率深寬比蝕刻選擇比奈米半導體製程奈米微影奈米蝕刻介電材料電路連結建造大樓地基鋼筋水泥管道動手做半導體製程樂高杜拜哈里發塔 Top-down vs bottom-up 深寬比概念 Bosch 製程樂高演繹動手做 3D-IC 樂高生活化實體化 e 化之創新教具

3 半導體製程可以做什麼? 微機電系統 (MEMS) 積體電路 (IC) 晶片生物晶片平面顯示器積體光學發光二極體 (LED)

4 金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 電晶體 - 電的開關蕭宏, 半導體製程技術導論 ( 第三版 ), 第三章

5 微影 (lithography) 薄膜沈積 (grow thinfilm) 蝕刻 (etch) 離子佈值 (diffuse/implant) 半導體製程流程示意圖

6 減法與加法微影製程 ( PHOTOLITHOGRAPHY) : 利用光學技術, 將所需設計轉印於薄膜上薄膜沉積 : 藉由化學或物理的方法 (CVD /pvd), 將所需材料層, 沉積於矽晶圓上蝕刻 (ETCHING): 用化學或物理的方法, 去除不需要的部分, 保留設計圖片出處 : 1. IN- GRAPHENE- SCIENCE/LASER- BASED - FABRICATION- OF- GRAPHENE 2. FABRICATION- PPT

7 為什麼要小? 為何元件要越做越小? 減少每個電晶體開關所需電流省電減少發熱降低 IC 晶片的製作成本 2 P = VI = I R

Moore s Law Intel co-founder Gordon Moore notices in 1964 Number of transistors doubled every 12 months Slowed down in the 1980s to every 18 months Amazingly still correct

8 Moore s Law Intel co-founder Gordon Moore notices in 1964 Number of transistors doubled every 12 months Slowed down in the 1980s to every 18 months Amazingly still correct likely to keep until 2010 Gordon Moore Intel Co-Founder and Chairmain Emeritus With Moore s Law, IC products can reach low costs, improve performance, and increase the functions. 8

9 28nm 製程節點晶片 20nm 14nm 10nm 半導體製程節點魔術數字? 350 nm 1995 年 250 nm 1997 年 180 nm 1999 年 130 nm 2001 年 90 nm 2004 年 65 nm 2006 年 45 nm 2008 年 32 nm 2010 年 22 nm 2012 年 14 nm 2014 年 10 nm 2017 年 7 nm 約 2018 年 5 nm 約 2020 年

10 製造能力觀測極限光學顯微鏡半導體製程最先進量產技術掃瞄電子顯微鏡 (SEM) 穿透式電子顯微鏡 (TEM)

11 蘋果公司近幾代系統單晶片的效能和規格 Apple SoC CPU 效能 GPU 效能晶粒大小電晶體製程 A5 (iphone 4s) ~13x ~20x 122mm 2 <10 億 45nm 三星 A6 (iphone 5) ~26x ~34x 97mm 2 <10 億 32nm 三星 A7 (iphone 5s) 40x 56x 102mm 2 >10 億 28nm 三星 A8 (iphone 6) 50x 86x 89mm 2 ~20 億 20nm 台積電 A9 (iphone 6s) 96mm mm 2 >20 億 14nm 三星 16nm 台積電 A10 (iphone 7) 125mm 2 ~33 億 16nm 台積電

12 超越摩爾定律 More-than-Moore (MtM) 2012 至 2016 年全球 3D IC 市場的年複合成長率為 19.7%

13 為什麼要大? 晶圓尺寸的演進

14 為什麼要大? 玻璃世代尺寸的演進

16 半導體製程能力之現況 12 metal layers / through-silicon via (TSV) Via 5 Via 4 Via 3 Via 2 Via 1 16

17 Institute of Microelectronics 新加坡微電子研究院 Prior art GlobalFoundries 2.5 / 3D at 20nm 12um 6 um 100 um 828 m 100 m 60 um UMC / STATS AR = um 50 um IMEC, 校際微電子中心, 比利時

18 Lithography 平版印刷, 微影 from Greek λίθος, lithos, "stone" and γράφειν, graphein, "to write"

19 光學微影光學幾何光學物理光學傅氏光學光學薄膜光電子學數值模擬機密機械流體力學光阻 ( 感光底片 ) 化學材料科學自動控制

光學系統的解析度 R = k 1 λ NA Name Wavelength (nm) Feature size (nm) Numerical Aperture 數值孔徑 Mercury Lamp Mercury Lamp G-line 436 500

20 光學系統的解析度 R = k 1 λ NA Name Wavelength (nm) Feature size (nm) Numerical Aperture 數值孔徑 Mercury Lamp Mercury Lamp G-line I-line to 250 Excimer Laser Excimer Laser KrF (DUV) ArF (DUV) to to 7 Extreme UV EUV 13.5 Below 7

21 光的繞射與光學系統解析度 R = k 1 λ NA

22 光學系統解析度與光源波長的關係

23 水可提昇光學系統解析度?

$原來水可抑制光的全反射! Total internal refraction Snell s law: n = 1 sinθ1 n2 sin sinθ = http://www.nature.$

24 原來水可抑制光的全反射! Total internal refraction Snell s law: n = 1 sinθ1 n2 sin sinθ = F.L. Pedrotti, Introduction to Optics, 3rd Ed., 2007 θ c = c sin n n n ( n ) θ sin( )

25 微影製程流程示意圖 UV Light HMDS Resist Mask λ λ 1) Vapor prime 2) Spin coat 3) Soft bake 4) Alignment and Exposure 5) Post-exposure bake 6) Develop 7) Hard bake Figure ) Develop inspect Michael Quirk, Julian Serda, Semiconductor Manufacturing Technology, 2001.

26 光源光罩 (Mask) 晶圓 (wafer)

27 接觸式曝光機 Mercury arc lamp Illuminator Alignment scope (split vision) Mask stage (X, Y, Z, θ) Mask Wafer stage (X, Y, Z, θ) Figure Wafer Vacuum chuck Michael Quirk, Julian Serda, Semiconductor Manufacturing Technology, 2001.

28 光與影的生產術奈米微影製程微影製程必須在無塵室裡進行, 首先你必須穿的像這樣然後在這樣的環境下進行製程為了讓微影的概念更生活化, 在這裡使用日光顯影實驗做說明清水沖洗光阻塗佈 Coating UV 曝光 Exposure 化學反應 Reaction 顯影 Develop 成像 Pattern 圖片出處 : A - ARENA- AL- SILICIO

29 材料檸檬酸鐵銨 ( 常溫常壓下穩定之化合物 ) 鐵氰化鉀 ( 常溫常壓下穩定之化合物 ) 純水燒杯攪拌玻棒 pp 廣口瓶美術紙水彩筆印表機用透明膠片實驗步驟 1. 將檸檬酸鐵銨與純水, 依重量比 1:4 配製成溶液 2. 將鐵氰化鉀與純水, 依重量比 1:10 配製成溶液 3. 將兩溶液等比例混合於 PP 瓶中, 即為感光液 ( 概念 : 光阻 ) 4. 取透明膠片製作曝光用光罩 5. 取美術紙塗佈感光液後, 進行日光曝曬, 最後以清水泡洗得到預期圖案 ( 概念 : 微影製程 : 塗佈 Coating 曝光 Exposure 顯影 Development) 正光阻 : 顯影後圖形與光罩相同負光阻 : 顯影後圖形與光罩互補 ( 本計畫示範 )

30 從沙到晶片如何製作 IC 晶片?

31 Thank you for your attention! Questions?

32 奈米創新科技種子教師研習營半導體微影實作成功大學

33 奈米創新科技種子教師研習營半導體微影實作成功大學