同步辐射能当曝光机光源吗？ （一）

这是近日网传的议题，只是国内官方已经出面正式否认。

这座高能同步辐射光子源（High Energy Photon Source；HEPS）是位于北京怀柔的中科院高能所正在兴建中的第四代同步辐射装置（Synchrotron Radiation Facility）。中科院高能所于1984年开始在北京玉泉路兴建第一代装置，以后迭有升级。这已经是近40年前的旧事了。

同步辐射是高能物理实验仪器的另类应用。原先的应用是利用电场加速电子，利用磁铁弯曲电子行径，并依圆形轨道运行。加速后的带电粒子对撞生基本粒子，主要是魅夸克（charm quark）。

由于带电粒子被加速时会放出电磁波—也就是光，同步辐射装置也可以利用这些光探测材料及生物结构，这是目前的几个应用范畴。但是现在谈及要被应用于半导体制程中曝光机（lithography equipment）的光源了。

考虑用同步辐射来当曝光机光源绝对不是新鲜事，X-ray光阻早在80年代就是研究的题目。90年代业界在考虑未来半导体曝光机的光源时，EUV和同步辐射都是曾被考虑的方方向。

当初美国国防部高等研究计划署（DARPA）选择EUV，但是也有其他公司选择同步辐射，譬如IBM。在重新检视同步辐射是否适合当曝光机光源时，让我们简单回顾一下EUV的几个特性。

EUV一般是指波长于121~10纳米的光，波长再短就是X-ray了。在EUV波长区域，并没有天然的材料与机制可以产生雷射光，现行的13.5纳米 EUV是以二氧化碳雷射照射掉落的锡液滴（tin drop）所激发的次级光源。

由于EUV光的产生程序复杂，光的频率集中的程度远不如使用雷射光源的DUV，亮度（luminosity）也远远不如。亮度不足，曝光时间就需要较长，影响曝光机产出（throughput）。

由于EUV光的能量较DUV高，容易与物质—特别是传统的透镜（lens）材料—发生反应而被吸收，光的传递依赖于多个有多层镀膜（multi-layer coating）的反射镜（reflection mirror）组成光径（optical path）并聚焦。对于半导体产业而言，这是一个全新的光学系统，这也说明为什麽EUV要发展20余年，最终才得以商业化的原因。

即使用反射镜来建立光径，垂直镜面入射的光线仍然会被部分吸收。因此，光线最好以与镜面垂直线倾斜6、7度的角度入射。由于这个倾斜入射角，整个光学系统的数值孔径（NA；numerical aperture）就比较难极大化，目前的EUV其NA=0.33，与DUV的NA可以高达1.2、1.3存在巨大的差距。而数值孔径与分辨率（resolution）成正比。这是个关键的光学特性。

由于目前EUV波长已经一口气推进到接近X-ray波长的上限，再要缩短波长恐怕要用新的物理机制产生新的光源—那可能是另一段20年艰苦的研发旅程，所以目前产业界的努力都集中2个面向，增加NA和增加产出。

增加产出是个多面向的工作，包括增加光源的亮度、改变光阻的化学组成等；增加NA可以在不必缩短波长的状况下增加分辨率，目前的计划是从NA=0.33增加为0.55。

以目前13.5纳米波长的EUV大概能做到哪个技术节点？

这点是整个半导体产业共同的关心。当初在讨论DUV之后的曝光机光源时，当时已有摩尔定律已日暮的感觉，虽然之后又奋力推进这麽多年。

理论上，一个光源的分辨率大概在光源的半波长。譬如第二代DUV ArF（argon fluoride）的波长是193纳米，理论分辨率就只有96.5纳米。但是透过多重曝光（multiple exposure）、过刻（over etch）、相位移（phase shift）以及浸润（immersion）在水中改变光的折射率（refraction index）等工程手段，193 纳米 DUV目前可以处理到7纳米的节点，问题是波长13.5纳米的EUV可以推进到哪一个技术节点？

要注意的是现在逻辑制程的节点与早年以晶体管实际的通道长度（channel length）为命名已有所有不同，7、5纳米的通道长度在10纳米以上。目前节点是以1个晶体的总体表现，如速度、功率、热耗散、面积等因素来命名。

这问题可以从问题的另一端来思考。

如果精细结构装置仍然以矽晶为基础、以电磁学为控制手段，那麽矽基元件（silicon-based devise）的最小尺寸是可以粗估的。

矽的共价键长度为0.111纳米。要组织一个元件的功能部分（silicon-based devise）—譬如通道—至少要有几十个原子的内部，要不然物质表面的性质可能就会影响物质内部应有的性质，因而影响元件预计的工作特性。几十个的矽原子就是几纳米的长度了，离现有的EUV的理论分辨率尺度并不远，这也是当初产业界一口气将波长推进至13.5纳米的考虑。

如果对原分子的控制可以更精细、物质的表面性质可以被精确掌控，因而使用较少的矽原子也可以构成有效元件，这时在半导体制程演化至物理的自然极限前，光源的波长还留有一个小窗口，这个窗口的候选人之一就是同步辐射的光。