想像你在廚房用裱花袋為 AI 晶片大餐精雕電路圖案，每條線寬僅數奈米。這是《邊喝邊想》半導體系列的第七篇，上篇談沉積如何抹奶油，這篇聚焦光刻如何用光畫出 AI 運算藍圖。本系列共八篇，涵蓋晶圓、氧化、晶體管、摻雜、沉積、光刻、蝕刻/CMP。核心問題：如何用光精準雕刻奈米電路？
精準雕刻的藝術：光刻的核心流程與挑戰
從外觀看，光刻只像是用一台機器在晶圓上投下一束光。但實際上，這束光經過數十道計算與對位，還需穿過複雜的鏡頭系統與高精度的光罩設計，才能準確無誤地寫入一條不到10奈米的電路線。標準的光刻流程包括：塗布光阻、曝光、顯影，再配合對位與疊對調整，最後才能進入蝕刻與後段處理。
每一層圖案，都要準確地印在前一層上，一點點錯位就可能造成整塊晶圓報廢。這就是所謂的疊對容差（Overlay Tolerance），在3奈米製程中，誤差範圍要控制在1奈米以內。而要達到這樣的精度，背後涉及的光學與物理挑戰，遠比肉眼可見的還要細膩。我們將從四個面向拆解光刻的精密機制- 成像原理與解析度極限
- 光罩與照明系統的設計
- 光阻劑的化學與製程特性
- 解決物理瓶頸的各種補償技術
成像原理與解析度極限
光刻的成像本質，其實是一場對物理極限的挑戰。當我們試圖用光來描繪越來越細的線條，就會撞上一道門檻：繞射極限。這道門檻用一條經典公式描述
其中， R 為最小可解析線寬， λ 是光的波長， NA 是鏡頭的數值孔徑， k1 則是一個由製程與圖案複雜度決定的經驗常數。想讓圖案變細，就必須讓波長更短（ 降低 λ ）、讓鏡頭張得更大（提高 NA）、或者透過演算法最佳化圖案（壓低 k1，也難以低於 0.25）。但每一項都有物理或經濟上的極限。
當電路尺寸開始小於波長時，光的繞射效應會讓圖案邊緣模糊，甚至出現重疊失真。這就是為什麼即使是深紫外光（DUV）波長僅有 193 奈米，還是無法直接畫出 7 奈米以下的電路。此時，工程師開始使用計算光刻（Computational Lithography）與相位移光罩、雙重圖案化等輔助技術，來欺騙物理極限。這些方法我們會在後面詳述。
除了解析度外，另一個關鍵的問題是景深（Depth of Focus, DOF）
當 NA 越大時（在公式中的分母），景深會急劇變淺。這意味著，只要晶圓表面有一點點高低不平，圖案就可能模糊失焦。在 EUV 裝置中，這種對焦的難度更是數倍上升，因為波長僅有 13.5 奈米，容錯空間極窄。
於是，成像系統變成一場對波長、孔徑與製程容差的三角平衡。這也是為什麼 EUV 雖然理論上解析度更好，實際上卻伴隨更嚴苛的對位與製程條件，每一次進步，背後都有工程師與物理學家的集體妥協。
光罩與照明系統的設計
光罩就像是模板，而照明系統則像是燈光設計師，決定要怎麼照、從哪個角度照、用什麼樣的光，才能讓這場奈米級投影演出準確無誤。
現代光刻機多採用縮小投影系統，也就是光罩上的圖案先以 4 倍比例縮小後，再投影到晶圓上。這樣可以讓光罩圖案的容錯空間放大，同時保持成像精度。但要讓縮小後的圖案仍清晰，就需要極其精密的光學鏡頭，通常由多片特殊玻璃組成，整套鏡組成本就高達百萬美元等級。
而照明系統則決定光是如何打在光罩上的。這裡的變化比你想像得多：是從正上方直射？還是從角度斜照？是圓形均勻光場？還是只有一環的環形光源？這些照明模式統稱為照明條件（Illumination Conditions），其中像是離軸照明（Off-Axis Illumination）、環形照明（Annular）、或雙環照明（Quasar）等，都能有效改善不同圖案的對比與解析度。
這些照明設計就像是攝影棚的燈光設計：有時候要讓人物臉部更立體，就得從側面打光；有時候要去除陰影，就得補個背光。同樣地，想要讓細線不模糊、或讓大面積區域邊界清晰，照明設計就會決定圖案成敗。
光罩本身也非單一類型。傳統光罩可以分為亮場（Bright Field）與暗場（Dark Field）兩種。而在先進製程中，更需要相位移光罩（Phase Shift Mask, PSM），透過控制光波的相位干涉，在邊界處產生人工銳利化的效果，像是幫圖案加上浮雕陰影，讓邊界更銳利清楚。
此外，隨著光能量提升與掃描速度增加，光罩也會受到微幅加熱，造成熱膨脹與圖案輕微變形。這些幾奈米等級的形變若未即時補償，可能使最終圖形誤差超出容忍範圍。因此 ASML 等供應商開始發展光罩熱變形模型與即時補償演算法，以提升成品良率與重現性。
（延伸閱讀：光罩與先進製程的矛盾）
光阻劑的化學挑戰與三難困境
如果說光罩是模板、光源是筆，那麼光阻劑（Photoresist）就是光刻這幅畫的畫布。它是一層極薄卻至關重要的感光材料，塗佈在晶圓表面，專門接收光線並轉化為圖案。看似單純，實則是整場光刻中最難駕馭的角色，既要敏感、又要穩定，還要精細到能承受奈米等級的雕刻。
早期的光阻劑以 DNQ-Novolac 為主，適用於大約 250 奈米以上的製程，但隨著解析度要求越來越高，這類光阻的化學反應已無法對應更短波長與更高對比度的需求。因此，現代光刻轉向了化學放大型光阻（Chemically Amplified Resist, CAR），讓單一光子能引發鏈式反應，大幅提高感光效率。但這類光阻劑帶來的難題也更多。
其中最核心的，就是所謂的光阻三難困境（The Lithographic Triangle）：解析度（Resolution）、感度（Sensitivity）與線邊粗糙度（Line Edge Roughness, LER）三者難以兼得。
舉例來說，若你希望光阻對光的反應越靈敏，就必須提高光酸生成劑（Photo Acid Generator, PAG）的濃度，這會讓顯影速度變快、曝光時間變短，但同時也會增加圖案邊緣的不穩定性，讓線條出現鋸齒狀的粗糙邊緣，影響導線性能。
此外，駐波效應（Standing Waves）與擺動曲線（Swing Curve）也是光阻的常見魔咒。當光線進入光阻後在底層反射，會與入射光干涉產生明暗相間的駐波條紋，使曝光深度不均，導致線寬變異（Critical Dimension Variation）。為了解決這個問題，製程中常加入抗反射層（Anti-Reflective Coating, ARC）或使用更薄的光阻搭配精準控制烘烤參數。
在 EUV 光刻中，這些挑戰又再升級。EUV 的光子能量高，但光阻對其吸收率低，需更高濃度的感光劑來補償，卻又因此更容易產生揮發性副產物或表面粗糙。此外，因為波長只有 13.5 奈米，任何奈米級的不均都會被放大成製程缺陷。
總結來說，光阻劑不只是一種材料，它是一種物理限制與化學彈性的角力場。如何設計出能同時滿足解析度、感度與線條平整的光阻，仍是當前光刻技術發展中最活躍的研究前線之一。
解析度增強技術 RET
當光的波長已經不夠短，而鏡頭的孔徑也放不大時，工程師們轉向了另一種策略，不是對抗物理，而是預測它，然後預先修正它。這就是解析度增強技術（Resolution Enhancement Technologies, RET）的核心精神。與其直接讓圖案變清晰，不如設計一個失真後會剛好變清晰的圖案。這就像印刷時預先加重某些顏色邊緣，讓成品在油墨擴散後恰好還原真實色彩。
RET 是一組方法的集合，其中幾項最關鍵的包括：
- 光學鄰近修正（OPC, Optical Proximity Correction）：在設計電路圖時，會根據模擬結果調整光罩上的圖形，像是加上小方塊、拉長邊角，讓實際曝光後的形狀更接近目標。這是目前最普及也最基礎的 RET 技術。
- 次級解析輔助特徵圖案（SRAF, Sub-Resolution Assist Features）：這是一種在光罩上加上肉眼看不到的圖案，它們本身不會被成像，但能改變周圍圖形的光學干涉，提升邊緣對比與成像品質。這些隱形小兵，是現代光罩設計中不可或缺的一環。
- 相位移光罩（PSM, Phase Shift Mask）：藉由改變光穿過不同區塊時的相位（如 180 度），讓干涉效果變強，邊緣更銳利。尤其是在高頻圖案中，PSM 能顯著提升解析力。不過製作困難，成本高，是一把雙面刃。
- 光源光罩最佳化（SMO, Source-Mask Optimization）：進一步發展的技術則將光源角度與光罩設計一起納入最佳化模型，常需結合 AI 或機器學習來進行大規模模擬。這就像是設計時不只改圖案，也同時改變打光方式，讓整體成像效果最佳。
這些 RET 技術之所以重要，是因為它們讓原本在物理定律下看似不可能的圖案成像，透過設計上的折衷變成了現實。從 90 奈米到 5 奈米，這些技巧扮演了關鍵橋樑角色，幫助產業在 EUV 普及之前，依然能推進摩爾定律。
不過，RET 的使用也意味著光罩設計的複雜度急劇上升，製作成本變高，驗證流程更繁瑣。如今先進製程的光罩，可能需要超過數萬次的模擬與反覆修正才能定案。
當解析度無法一次到位
當你拿一支筆試圖畫出一張精緻的地圖，但筆尖太粗、一次無法描出所有細節時，你可能會換個方法：先畫一部分，再回頭補上剩下的輪廓。這就是雙重圖案化（Double Patterning）的基本邏輯。
雙重圖案化是一種將複雜圖形拆解成兩次以上的曝光與蝕刻步驟，最終再將這些部分拼合為完整圖案的技術。它的誕生，是對抗 DUV（193 奈米波長）光刻解析度極限的權宜之計，並且延續了摩爾定律在 14 奈米與 7 奈米節點的生命。根據製程需求與圖案結構的不同，雙重圖案化主要有兩大類
- LELE（Litho-Etch-Litho-Etch）：也叫做「曝光—蝕刻—曝光—蝕刻」，是最直覺的做法。圖案先分為兩組，第一組先光刻與蝕刻完成，接著再對第二組重複一次。這種方法的彈性高，但疊對精度要求極高，且會造成製程時間與成本的大幅上升。
- SADP（Self-Aligned Double Patterning）：又稱自對準雙重圖案化，是一種更聰明的手法。它利用已蝕刻圖形的側壁，做為第二組圖形的參考線，藉此達成天然的對齊效果。這讓圖案間距能夠極為均勻，是記憶體與重複圖樣中常用的技術。
這些圖案化技術的誕生，讓業界在 EUV 尚未商用前，仍能持續推進製程節點。但它們也帶來了全新的痛點
- 疊對誤差容忍度極低，1奈米以下成為必要條件
- 每次額外的曝光與蝕刻都提高成本與風險
- 光罩數量倍增，設計與驗證時間暴增
雙重圖案化的代價不小，但它換來了寶貴的過渡期，使得 10 奈米以下的製程得以在 EUV 光刻尚未成熟時，提前開展。然而，也正因為這種畫兩次的策略太過複雜與昂貴，整個產業才會在 EUV 成熟後迅速轉向，進入下一個革命階段。
（延伸閱讀：為什麼半導體非得走上 EUV？）
EUV 光刻的誕生
如果你曾在黑白底片上曝光過相片，大概能理解早期光刻的情境：光線穿過一片帶有圖案的透明片，將影像轉印到感光材料上。而這束光的顏色，其實就是波長，決定了你能看到多少細節。
半導體光刻的發展史，就是一場不斷縮短波長的演進旅程。
最早，業界使用的是汞燈的 g 線（436nm） 與 i 線（365nm），這些紫光能刻出 800 奈米、350 奈米的線寬；後來進入 1990 年代，進入 KrF（248nm） 與 ArF（193nm） 為主的深紫外光（DUV）時代，推進了 130 奈米、90 奈米、甚至到 7 奈米節點。
但從物理上來說，193 奈米已經逼近臨界點。為了刻出 10 奈米以下的圖案，業界發展出浸潤式光刻（透過液體增大有效 NA）、解析度增強技術（OPC、PSM 等），甚至發展出剛才提到的多重圖案化。這些方法如同在筆尖上雕花，一邊讓解析度往下壓，一邊卻讓成本與良率的壓力飆升。於是，產業開始尋找新光源，目標明確：進入更短波長的極紫外光（EUV，13.5nm）世界。
EUV 的出現，是半導體界一場歷時 20 年的豪賭。它需要的不是簡單換一盞燈，而是從頭打造一整套光學與製程體系：
- 傳統透鏡無法折射這種波長的光，只能靠多層反射鏡（Mo/Si Bragg Mirror）
- 光容易被空氣吸收，整個成像系統必須置於真空中
- 發光效率極低，必須用雷射擊打錫滴產生等離子體，才能產生穩定光源
這些技術的複雜程度，使得 EUV 光刻長期被視為「永遠五年後」的未來技術。
直到 2019 年，台積電與三星成功將 EUV 導入 7 奈米與 5 奈米量產線，EUV 才終於從研究室走入主流，成為今天 3 奈米、甚至未來 2 奈米製程的關鍵角色。
（延伸閱讀：g-line 時代，半導體微縮競賽的起點、i-line 推進 500奈米時代、KrF 的登場，讓微縮技術跨入 DUV 新紀元、DUV 還沒退場，ArF 的極限與它的用途）
EUV 光刻機的挑戰
若說 DUV 是一場精密的攝影，EUV 更像是一場粒子物理實驗。這不是誇張。EUV 光刻機的運作原理，幾乎集合了雷射物理、真空工程、電漿控制與精密光學等數個跨領域的技術門檻。為了產生那波長僅有 13.5 奈米的極紫外光，人類設計出一個宛如科幻劇場的流程
- 雷射擊發： 使用高功率雷射，以每秒 5 萬次的頻率擊打空中飄浮的錫滴（tin droplets），產生數萬度的等離子體。
- 極紫外光產生： 錫等離子體釋放出的能量中，只有極小部分轉換成 EUV 光，其餘皆為熱與雜訊。這些光接著被多層布拉格反射鏡（Mo/Si）所聚焦並引導。
- 反射成像： EUV 光無法穿透任何透鏡，因此整個成像系統由 6～8 片多層反射鏡組成，每片鏡面表面誤差需低於 0.1 奈米。光線一路反射後，穿過 EUV 光罩，再反射進晶圓上的光阻層。
- 全程真空： 為防止 EUV 光被吸收，整套路徑必須在高真空環境中操作，任何微塵或氣體雜質都會導致能量損失與圖案偏差。
這些裝置構成了 ASML 價值超過 2 億美元的 EUV 掃描機（如 NXE:3600D、NXE:3800E），全世界目前只有極少數晶圓廠（TSMC、Samsung、Intel）能穩定使用。但即便 ASML 成功開發出商用機種，EUV 的使用仍面臨三個結構性挑戰：
- 光源亮度不足（Source Power）： 每秒擊打 5 萬個錫滴，要能穩定對準、均勻加熱且高效率產生 EUV 光，始終是一項工藝難題。亮度不夠，會拖慢整體曝光速度。
- 光罩缺陷與修復困難： 傳統光罩的缺陷可用修補技術處理，但 EUV 光罩為多層反射式設計，一旦內部有缺陷，幾乎無法修正，只能整片報廢。
- 光阻劑的感度與線邊粗糙度（LER）： 目前主流的化學放大型光阻（CAR）在 EUV 短波長與高能量下，容易出現圖案邊緣粗糙，影響線寬控制與良率穩定性。
這些問題至今仍在突破中。ASML 最新研發的 High-NA EUV 系統，雖提升解析度至 8 奈米以下，但也進一步壓縮景深，對對焦與疊對的要求近乎苛刻。
EUV，不只是一種光源，更是對未來製程極限的預告。
品質控制與線寬穩定
當你打開印表機列印文件，若第一張清晰、第二張糊掉、第三張歪斜，會讓人無法接受。在晶片世界中，這樣的錯誤不只是令人困擾，而是致命的——因為每一層電路都得精準對齊前一層，才構成一個能運作的邏輯系統。
一顆高階晶片動輒上百層圖案，每一層的成像品質，都由以下五個維度構成
- 解析度（Resolution）： 能畫多細的線
- 對比度（Image Contrast）： 線與線之間是否清楚分明
- 景深（Depth of Focus）： 晶圓表面若有凹凸是否還能準確曝光
- 穩定性（Stability）： 曝光參數是否能在長時間維持一致
- 變異控制（Variability）： 不同批次或不同區塊之間的差異是否最小化
其中最難的一項，莫過於線寬控制（CD Control）。在 3 奈米製程下，每層電路的對位誤差需小於 1 奈米，才能確保最終邏輯不失真。稍有差池，就可能讓數十顆晶片全部報廢。為了達成這樣的目標，晶圓廠每天都在進行數千次的量測與統計校正。機台上裝有高精度對位系統，甚至結合 AI 模型預測變異源，提早進行補償調整。
光刻，不只是畫圖，更是一場與機台、材料、環境、數學誤差搏鬥的品質控制馬拉松。
未來展望：從鏡頭邊界到演算法戰場
光刻技術從 g-line（436nm）、i-line（365nm）、DUV（248nm/193nm）一路演進至 EUV（13.5nm），每一次波長的縮短，都是一次人類對物理極限的再逼近。但現在，光學本身的進步空間已所剩無幾，未來的戰場，將在三個方向展開：
- High-NA EUV：更大孔徑，換取更高解析度：ASML 正開發的高數值孔徑 EUV（NA = 0.55）系統。但這也帶來更窄的景深與對位壓力。
- AI 與演算法光刻：為了補償曝光極限並提升成像品質，近年產業逐漸採用 AI 輔助的計算光刻技術。特別是在結構化照明最佳化（Source Mask Optimization, SMO）中，AI 用於進行反向演算（inverse lithography），根據最終欲得的圖案，反推出最合適的光源角度與光罩圖形設計；與傳統規則導向的 OPC（Optical Proximity Correction）相比，SMO 搭配 AI 能更有效壓制邊緣粗糙（LER）與線寬變異（CD variation），在 EUV 製程中成為關鍵工具。但這些方法仍面臨實體成像限制。尤其在 EUV 成像中，系統需使用多片反射鏡進行聚焦，造成非成像光（scatter light）的大量累積。這些雜散光可能在光罩邊緣與鏡面間反射交疊，導致圖案模糊與背景雜訊升高，是目前 EUV 圖形穩定性難以精準掌控的一環。
- Beyond EUV：探索光之外的藍海技術：若光也成了瓶頸，產業便開始探索無光刻技術：如電子束直寫（E-beam Lithography）、X 射線光刻、甚至是直接原子堆疊（Atomic Layer Patterning）。雖目前仍偏向研究階段，但在 2 奈米以下世代，有機會成為突破口。
光刻是一面鏡，也是一支筆
回顧整個光刻發展歷程，我們看到的不只是技術的精進，更是整個半導體產業對未來的書寫方式。未來，High-NA EUV 將挑戰 2 奈米。光刻如何改變你的 AI 工具體驗？訂閱《邊喝邊想》，探索下篇蝕刻如何修飾晶片！
