同步辐射能当曝光机光源吗？ （二）

同步辐射所产生的光，是由电场加速带电粒子因而产生辐射产生的光，不像雷射是利用原子天然能阶之间的跃迁（transition）产生的相干光（coherent light），光源波长是可以控制、设计的。

同步辐射产生光的波长，从远红外（far infrared）至hard X-ray，大约是10几微米到0.01纳米，这波段已足以处理矽基半导体制程的所有波长需求。

高于DUV波长的光就不必讨论了—已有既存成熟的设备，不必再重新发明轮子。可以讨论的是现在EUV波长波段，以及将矽基半导体推向物理极限的几纳米波长的光。

用同步辐射做为光源有个明显好处，即为光的亮度充分。只要加速器中心能稳定控制的电流够大—就是电子够多，辐射光的亮度便充分—这个可以立刻解决现在EUV产量不够好的窘境。

另一个好处是光源成本的下降。

一个同步辐射圆形加速器至少可以有十几、廿个出光口。一个同步辐射加速器要多少经费呢？1980年代台湾开始建造同步辐射时，预算是几千万美元；虽然后来还有追加预算，平均一个光源才数百万美元的成本。对于现在价格动辄上亿美元的曝光机台，这个成本不算是钱。

但是同步辐射光源也面临现在EUV因光的能量较高，容易被物质吸收的问题。如果波长更短，问题愈严重。

同步辐射在解决高能量光源会被物质吸收的问题上，可用的光径安排方式有几个。

第一个，自然是与EUV相同的反射式镜面。但是因为波长不同，材料和镀膜必须要再调适；

第二个，还是用透镜，但是透镜材质变成矽或锗，这样也能聚焦X-ray；

第三个，是波带片（zone plate），片上有多个不同半径同心圆上的狭缝，X-ray通过波带片产生绕射（diffraction），因而聚焦。

以上都是同步辐射既有的光学元件。但是同步辐射是仪器（instrument），而曝光机是量产设备（equipment），二者要求的精度、可靠性、成本等有巨大差距。

同步辐射要做为曝光光源有2个大挑战。同步辐射基本上是个圆形加速器，出光口散布在圆周周边，这个格局与现在的晶圆厂的布局（layout）天差地别。如果使用同步辐射，会大幅更动晶圆厂的运作方式，甚至是一些界面规格。

这也是当初半导体产业选择使用现在EUV的理由之一。EUV虽大，但是长的方方正正的，而且每部机台独立运作。

第二个挑战是维修时的停机时间（downtime）。设备维修，停机理所当然。但是同步辐射加速器的维修会导致每个出光口同时停机，晶圆厂就处于关闭状况。

在半导体产业眼中，这是只有在灾难时才会出现的状况。

半导体产业的逻辑一般是将既存的技术和设备榨出最后一滴价值，最大幅度的降低设备折旧（depreciation）与技术摊提（amortization）。所以现在曝光机的发展主流是尽其所能的提高EUV的亮度以及分辨率，并且佐以其他非曝光手段如纳米压印（nanoimprint）与定向自组装（DSA；Directed Self-Assembly）等方法，以期能够支撑到矽基精细元件的物理极限。

如果最终还是需要同步辐射来推进分辨率，是否花巨大的研发经费来开发，只供一、两个技术节点使用？这对于半导体产业将是个很艰难的抉择。