先進微影技術發展(一)：既有設備路徑的延伸

微影技術是半導體產業用以定義精細圖案的主流手段，目前最先進的技術是極紫外光（EUV），最近的量產設備為ASML 的TWINSCAN NXE：3600D。使用的光源是由二氧化碳雷射打到錫（tin；Sn）電漿（plasma）後，產生13.5 nm的極紫外光。數值孔徑（Numerical Aperture；NA）為0.33，這個數值反比於解析度（resolution，或為Critical Dimension；CD）；微影技術中NA愈大愈好。其解析度為13 nm，生產能力（throughput）每小時可以處理160片晶圓。這機型支援7奈米、5奈米製程的量產。

有一個常有的誤解，是5奈米製程其實並不代表其解析度恰好為5 nm，這數字是技術節點（technology node）的名稱。過去此數字的確是代表此一製程的臨界尺度，譬如邏輯製程的閘極長度（gate length）或者DRAM的半金屬間距（half metal pitch）。

但是現在電晶體3D化、製程變得複雜，節點的命名代表的是依照摩爾定律演化曲線投射的電晶體數目、電晶體開關速度、功耗的等效名稱。

微影技術的後續發展呢？據ASML最近的財報表示，改進的方向是往增大NA的方向，從目前的0.33增大為0.55，後者稱為高數值孔徑（high NA），可以進一步提高解析度。另一個方向是增加生產能力至220片，降低晶圓廠生產成本。

理論上一個光源的解析度為其波長的2分之1，譬如EUV現在的光源波長為13.5 nm，理論上其單次曝光的殼達到的最佳解析度約略小於7 nm（重複曝光可以進一步改善解析度）。用較短波長的光源藉以達到更高解析度是以前理所當然的路徑，微影機的光源一路從g-line（436 nm）、h-line（405 nm）、i-line（365 nm）等可見光進展到KrF（248 nm）、ArF（193 nm）的深紫外光（DUV），主要的進展都是靠縮短光源波長來改進解析度的。

但是從DUV遷移到EUV牽涉到結構上重大的變革，有2個重要因素。

在光源方面，沒有自然的原分子可以被激發後釋放出EUV，所以必須以二氧化碳雷射去多次激發錫電漿。另外，EUV被幾乎所有的東西所吸收，包括空氣以及石英（以前用來做光罩的材料）、透鏡等，所以所有的EUV光學系統都得改成在真空中以鏡子反射式的呈像，這是一個顛覆式的重大變革。

EUV的研究肇始於1990年代初，當時DUV的半導體量產機台還未導入量產呢！之所以要花20幾年的時間來研發，因為是對一個更精密系統的重新創造。

而且目前的EUV是一步到位的研發。EUV的定義是波長落於10~210 nm之間的光，目前EUV的波長13.5 nm已在EUV定義的邊緣，波長再短就是x-ray了。到那時候又是另一套全新系統的開發。X-ray 也會被空氣吸收，而可能的光源之一是1990年代就提議過的同步輻射，那可又是一場全新的遊戲。

所以沿著光學微影方向發展的下一步呢？比較大的可能是超高數值孔徑（hyper NA），NA=0.75，這可以讓解析度比目前至少再提高個2倍。配合其他常用的製程手段，譬如多重曝光、過度蝕刻等，看能否接近矽原子的天然解析度極限。

這個路徑雖然是演化式的，但是研發經費仍然是天文數字。後面有沒有足夠的高階應用來分攤這前頭的龐大研發經費，這是個經濟問題。