先進(jìn)半導(dǎo)體制程量測(cè)技術(shù) 提升晶片良率的幕后功臣

2008年10月，奧圖碼發(fā)表全球第一臺(tái)掌上型投影機(jī)，僅重80公克，卻可連結(jié)iPod、數(shù)位相機(jī)及游戲機(jī)等。2010年1月，蘋(píng)果發(fā)表高效能的平板電腦 iPad，外觀僅有A4紙張的四分之三。2010年6月，Sony推出全世界最輕的NEX-3單眼相機(jī)，僅重229公克，比一罐牛奶盒還輕。

追求輕、薄、短、小及高效能，已是所有3C消費(fèi)性電子產(chǎn)品的趨勢(shì)，但隨著其快速演進(jìn)的過(guò)程背后勢(shì)必要不斷開(kāi)發(fā)先進(jìn)且高效能的晶片制程技術(shù)，因此致力于提升晶片良率與效能，一直是國(guó)際半導(dǎo)體大廠(chǎng)不遺余力的目標(biāo)。

工研院量測(cè)技術(shù)發(fā)展中心正研究員顧逸霞，突破傳統(tǒng)奈米量測(cè)的方式，研發(fā)出世界領(lǐng)先的In-chip微影制程疊對(duì)量測(cè)專(zhuān)利，以32奈米制程而言，在2009 年時(shí)量測(cè)精準(zhǔn)度就可達(dá)0.57奈米以下，足足領(lǐng)先國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖檢測(cè)需求時(shí)程4年。過(guò)去7年來(lái)，她還產(chǎn)出國(guó)內(nèi)外55件半導(dǎo)體量測(cè)關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)利、56篇原創(chuàng)性國(guó)內(nèi)外期刊論文，期間技轉(zhuǎn)給國(guó)際大廠(chǎng)的金額更超過(guò)新臺(tái)幣8,000萬(wàn)元，如此杰出的成就，讓她一舉拿下經(jīng)濟(jì)部科專(zhuān)計(jì)畫(huà)首屆「科技女杰獎(jiǎng)」。

推動(dòng)制程疊對(duì)技術(shù)不斷提升

顧逸霞表示，高效能的晶片，須透過(guò)精準(zhǔn)的半導(dǎo)體積體電路制程產(chǎn)出，但由于積體電路制程線(xiàn)寬愈做愈小，從65奈米制程演進(jìn)到45奈米、32奈米、22奈米……，精準(zhǔn)度的要求會(huì)隨制程線(xiàn)寬的下縮而提高，由于線(xiàn)寬已經(jīng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)影像量測(cè)法所能偵測(cè)的極限，同時(shí)積體電路的圖樣密度及制程復(fù)雜度不斷增加，使得 45奈米以下制程的良率面臨到極大的挑戰(zhàn)。因此，必須「仰賴(lài)最先進(jìn)的奈米疊對(duì)量測(cè)技術(shù)，來(lái)驗(yàn)證電路曝寫(xiě)的堆疊間是否精準(zhǔn)，線(xiàn)寬尺寸誤差是否在容許的范圍內(nèi)，」她說(shuō)。

為了克服良率挑戰(zhàn)，必須增加更多制程疊對(duì)(Overlay)量測(cè)取樣，并且更有效率地運(yùn)用先進(jìn)疊對(duì)圖樣設(shè)計(jì)，同時(shí)提升疊對(duì)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度與速度。因此需要開(kāi)發(fā)創(chuàng)新并且可靠的制程疊對(duì)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)制程即時(shí)檢測(cè)及回饋控制，以確保量產(chǎn)制程產(chǎn)品良率能夠提升，國(guó)際上相關(guān)研究單位都積極朝向開(kāi)發(fā)可突破光學(xué)繞射極限的量測(cè)技術(shù)，以確保未來(lái)前瞻制程參數(shù)的量測(cè)準(zhǔn)確度能符合國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS, International Technology Roadmap of Semiconductor)的要求。

外型溫柔婉約的顧逸霞，領(lǐng)軍工研院量測(cè)中心的先進(jìn)半導(dǎo)體制程量測(cè)技術(shù)發(fā)展，在以男性居多的半導(dǎo)體制程量測(cè)領(lǐng)域闖出一片天。(攝影／鄒福生)
工研院量測(cè)技術(shù)發(fā)展中心指出，目前單就疊對(duì)量測(cè)檢測(cè)機(jī)臺(tái)的商機(jī)就上看十億元，顧逸霞指出，她和團(tuán)隊(duì)所研發(fā)出的In-chip微影制程疊對(duì)量測(cè)專(zhuān)利，以突破光學(xué)繞射極限的創(chuàng)新光學(xué)式檢測(cè)方法，可以檢測(cè)出晶片內(nèi)部任何位置的疊對(duì)誤差，有別于過(guò)去量測(cè)技術(shù)僅能在晶片外圍作量測(cè)的缺點(diǎn)，且能即時(shí)且快速的反應(yīng)，不僅提高了50％的精準(zhǔn)度，也對(duì)先進(jìn)制程良率提升有莫大貢獻(xiàn)。研發(fā)出的量測(cè)技術(shù)也屢獲得國(guó)際半導(dǎo)體大廠(chǎng)如臺(tái)積電及AMD(Advanced Micro Device)等所采用，其中光是臺(tái)積電也因?qū)氪思夹g(shù)，降低制程成本，年產(chǎn)值超過(guò)新臺(tái)幣500億元。

顧逸霞自2004年起主持先進(jìn)半導(dǎo)體制程量測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)畫(huà)，期間建立了多項(xiàng)自有的團(tuán)隊(duì)核心技術(shù)，包括亮場(chǎng)顯微影像檢測(cè)技術(shù)、雷射散射儀檢測(cè)技術(shù)等，并研發(fā)世界領(lǐng)先之原創(chuàng)性In-chip微影制程疊對(duì)量測(cè)專(zhuān)利設(shè)計(jì)，發(fā)展奈米結(jié)構(gòu)繞射成像理論模擬平臺(tái)以達(dá)最佳化量測(cè)設(shè)計(jì)，及高解析量測(cè)數(shù)值演算法可突破傳統(tǒng)影像量測(cè)法所能偵測(cè)的極限，提升微影制程參數(shù)量測(cè)精確度，可整合應(yīng)用于關(guān)鍵尺寸、疊對(duì)誤差、線(xiàn)寬粗糙度、側(cè)壁角度等多參數(shù)In-line即時(shí)檢測(cè)回饋控制。

透過(guò)合作追求技術(shù)突破

她建立以雷射散射術(shù)為機(jī)制之下世代快速大面積制程線(xiàn)上檢測(cè)新技術(shù)，使用電磁理論建立3D奈米結(jié)構(gòu)散射理論模型，配合創(chuàng)新高靈敏度演算法進(jìn)行制程參數(shù)即時(shí)分析，預(yù)期成為22奈米制程檢測(cè)技術(shù)主流。藉由實(shí)際制程量測(cè)驗(yàn)證結(jié)果完善修正后的理論模擬平臺(tái)，未來(lái)將可大量且快速的應(yīng)用于制程參數(shù)量測(cè)最佳化設(shè)計(jì)及量測(cè)。預(yù)期能夠加速制程運(yùn)作、降低雜訊，進(jìn)一步提升產(chǎn)能速度(MAM time ?0.6 sec, Move-Acquire-Measure)和精準(zhǔn)度。

顧逸霞強(qiáng)調(diào)，量測(cè)技術(shù)之所以能夠不斷進(jìn)步，和國(guó)際大廠(chǎng)合作也是技術(shù)突破的關(guān)鍵。研發(fā)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期與國(guó)際半導(dǎo)體檢測(cè)機(jī)臺(tái)廠(chǎng)商合作，包括英商Accent Optical Technologies及美商耐諾(Nanometrics Incorporated)等，將自行研發(fā)的最佳化量測(cè)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新數(shù)值演算法導(dǎo)入，以提升線(xiàn)上檢測(cè)機(jī)臺(tái)之效能。

2004至2007年間，顧逸霞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與臺(tái)積電及Accent Optical共同合作挑戰(zhàn)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖2010年所需求的45奈米制程檢測(cè)技術(shù)。臺(tái)積電微影制程研發(fā)處投入最先進(jìn)的193奈米浸潤(rùn)式曝光顯影制程 (Immersion Lithography)及光罩制作技術(shù)，Accent Optical投入先進(jìn)12寸晶圓量測(cè)機(jī)臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)，顧逸霞團(tuán)隊(duì)則投入包括In-chip疊對(duì)量測(cè)專(zhuān)利設(shè)計(jì)及跨焦取像(Through focus)量測(cè)方法專(zhuān)利技術(shù)開(kāi)發(fā)，并將團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的最佳化奈米圖像量測(cè)設(shè)計(jì)及新創(chuàng)數(shù)值演算法實(shí)際導(dǎo)入Accent Optical的半導(dǎo)體檢測(cè)機(jī)臺(tái)，成功完成了臺(tái)積電先進(jìn)制程逐層量測(cè)驗(yàn)證。

這項(xiàng)合作案有效善用國(guó)合策略及技術(shù)資源共享，縮短了技術(shù)研發(fā)時(shí)程，并降低計(jì)畫(huà)所需經(jīng)費(fèi)，除了有效解決次世代檢測(cè)技術(shù)需求，并具備了國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)技術(shù)指標(biāo)性意義。顧逸霞認(rèn)為，正因?yàn)槎喾交ダ献鳎拍茏屃繙y(cè)技術(shù)一路突破。

2009年時(shí)，她所率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出的32奈米疊對(duì)精準(zhǔn)度就已達(dá)到0.57奈米以下，足足領(lǐng)先ITRS所設(shè)定2013年量產(chǎn)檢測(cè)需求，深具前瞻性。

但她也不諱言，一開(kāi)始爭(zhēng)取國(guó)際合作時(shí)，并不是那么順利，例如光是和臺(tái)積電簽約，就足足談了9個(gè)月才下來(lái)，首先必須以耐心誠(chéng)意接受對(duì)方先期試用驗(yàn)證，直到我方檢測(cè)技術(shù)確實(shí)超越國(guó)際上現(xiàn)有技術(shù)后，后續(xù)才促成多項(xiàng)的國(guó)際技術(shù)授權(quán)，也因此臺(tái)積電的研發(fā)人員也私下還昵稱(chēng)她為「顧老大」。