先进微影技术发展(一)：既有设备路径的延伸

微影技术是半导体产业用以定义精细图案的主流手段，目前最先进的技术是极紫外光（EUV），最近的量产设备为ASML 的TWINSCAN NXE：3600D。使用的光源是由二氧化碳雷射打到锡（tin；Sn）电浆（plasma）后，产生13.5 nm的极紫外光。数值孔径（Numerical Aperture；NA）为0.33，这个数值反比于分辨率（resolution，或为Critical Dimension；CD）；微影技术中NA愈大愈好。其分辨率为13 nm，生产能力（throughput）每小时可以处理160片晶圆。这机型支持7纳米、5纳米制程的量产。

有一个常有的误解，是5纳米制程其实并不代表其分辨率恰好为5 nm，这数字是技术节点（technology node）的名称。过去此数字的确是代表此一制程的临界尺度，譬如逻辑制程的闸极长度（gate length）或者DRAM的半金属间距（half metal pitch）。

但是现在晶体管3D化、制程变得复杂，节点的命名代表的是依照摩尔定律演化曲线投射的晶体管数目、晶体管开关速度、功耗的等效名称。

微影技术的后续发展呢？据ASML最近的财报表示，改进的方向是往增大NA的方向，从目前的0.33增大为0.55，后者称为高数值孔径（high NA），可以进一步提高分辨率。另一个方向是增加生产能力至220片，降低晶圆厂生产成本。

理论上一个光源的分辨率为其波长的2分之1，譬如EUV现在的光源波长为13.5 nm，理论上其单次曝光的壳达到的最佳分辨率约略小于7 nm（重复曝光可以进一步改善分辨率）。用较短波长的光源藉以达到更高分辨率是以前理所当然的路径，微影机的光源一路从g-line（436 nm）、h-line（405 nm）、i-line（365 nm）等可见光进展到KrF（248 nm）、ArF（193 nm）的深紫外光（DUV），主要的进展都是靠缩短光源波长来改进分辨率的。

但是从DUV迁移到EUV牵涉到结构上重大的变革，有2个重要因素。

在光源方面，没有自然的原分子可以被激发后释放出EUV，所以必须以二氧化碳雷射去多次激发锡电浆。另外，EUV被几乎所有的东西所吸收，包括空气以及石英（以前用来做光罩的材料）、透镜等，所以所有的EUV光学系统都得改成在真空中以镜子反射式的呈像，这是一个颠覆式的重大变革。

EUV的研究肇始于1990年代初，当时DUV的半导体量产机台还未导入量产呢！之所以要花20几年的时间来研发，因为是对一个更精密系统的重新创造。

而且目前的EUV是一步到位的研发。EUV的定义是波长落于10~210 nm之间的光，目前EUV的波长13.5 nm已在EUV定义的边缘，波长再短就是x-ray了。到那时候又是另一套全新系统的开发。X-ray 也会被空气吸收，而可能的光源之一是1990年代就提议过的同步辐射，那可又是一场全新的游戏。

所以沿着光学微影方向发展的下一步呢？比较大的可能是超高数值孔径（hyper NA），NA=0.75，这可以让分辨率比目前至少再提高个2倍。配合其他常用的制程手段，譬如多重曝光、过度蚀刻等，看能否接近矽原子的天然分辨率极限。

这个路径虽然是演化式的，但是研发经费仍然是天文数字。后面有没有足够的高端应用来分摊这前头的庞大研发经费，这是个经济问题。