同步輻射能當曝光機光源嗎？ （一）

這是近日網傳的議題，只是中國官方已經出面正式否認。

這座高能同步輻射光子源（High Energy Photon Source；HEPS）是位於北京懷柔的中科院高能所正在興建中的第四代同步輻射裝置（Synchrotron Radiation Facility）。中科院高能所於1984年開始在北京玉泉路興建第一代裝置，以後迭有升級。這已經是近40年前的舊事了。

同步輻射是高能物理實驗儀器的另類應用。原先的應用是利用電場加速電子，利用磁鐵彎曲電子行徑，並依圓形軌道運行。加速後的帶電粒子對撞生基本粒子，主要是魅夸克（charm quark）。

由於帶電粒子被加速時會放出電磁波—也就是光，同步輻射裝置也可以利用這些光探測材料及生物結構，這是目前的幾個應用範疇。但是現在談及要被應用於半導體製程中曝光機（lithography equipment）的光源了。

考慮用同步輻射來當曝光機光源絕對不是新鮮事，X-ray光阻早在80年代就是研究的題目。90年代業界在考慮未來半導體曝光機的光源時，EUV和同步輻射都是曾被考慮的方方向。

當初美國國防部高等研究計畫署（DARPA）選擇EUV，但是也有其他公司選擇同步輻射，譬如IBM。在重新檢視同步輻射是否適合當曝光機光源時，讓我們簡單回顧一下EUV的幾個特性。

EUV一般是指波長於121~10奈米的光，波長再短就是X-ray了。在EUV波長區域，並沒有天然的材料與機制可以產生雷射光，現行的13.5奈米 EUV是以二氧化碳雷射照射掉落的錫液滴（tin drop）所激發的次級光源。

由於EUV光的產生程序複雜，光的頻率集中的程度遠不如使用雷射光源的DUV，亮度（luminosity）也遠遠不如。亮度不足，曝光時間就需要較長，影響曝光機產出（throughput）。

由於EUV光的能量較DUV高，容易與物質—特別是傳統的透鏡（lens）材料—發生反應而被吸收，光的傳遞依賴於多個有多層鍍膜（multi-layer coating）的反射鏡（reflection mirror）組成光徑（optical path）並聚焦。對於半導體產業而言，這是一個全新的光學系統，這也說明為什麼EUV要發展20餘年，最終才得以商業化的原因。

即使用反射鏡來建立光徑，垂直鏡面入射的光線仍然會被部分吸收。因此，光線最好以與鏡面垂直線傾斜6、7度的角度入射。由於這個傾斜入射角，整個光學系統的數值孔徑（NA；numerical aperture）就比較難極大化，目前的EUV其NA=0.33，與DUV的NA可以高達1.2、1.3存在巨大的差距。而數值孔徑與解析度（resolution）成正比。這是個關鍵的光學特性。

由於目前EUV波長已經一口氣推進到接近X-ray波長的上限，再要縮短波長恐怕要用新的物理機制產生新的光源—那可能是另一段20年艱苦的研發旅程，所以目前產業界的努力都集中2個面向，增加NA和增加產出。

增加產出是個多面向的工作，包括增加光源的亮度、改變光阻的化學組成等；增加NA可以在不必縮短波長的狀況下增加解析度，目前的計畫是從NA=0.33增加為0.55。

以目前13.5奈米波長的EUV大概能做到哪個技術節點？

這點是整個半導體產業共同的關心。當初在討論DUV之後的曝光機光源時，當時已有摩爾定律已日暮的感覺，雖然之後又奮力推進這麼多年。

理論上，一個光源的解析度大概在光源的半波長。譬如第二代DUV ArF（argon fluoride）的波長是193奈米，理論解析度就只有96.5奈米。但是透過多重曝光（multiple exposure）、過刻（over etch）、相位移（phase shift）以及浸潤（immersion）在水中改變光的折射率（refraction index）等工程手段，193 奈米 DUV目前可以處理到7奈米的節點，問題是波長13.5奈米的EUV可以推進到哪一個技術節點？

要注意的是現在邏輯製程的節點與早年以電晶體實際的通道長度（channel length）為命名已有所有不同，7、5奈米的通道長度在10奈米以上。目前節點是以1個晶體的總體表現，如速度、功率、熱耗散、面積等因素來命名。

這問題可以從問題的另一端來思考。

如果精細結構裝置仍然以矽晶為基礎、以電磁學為控制手段，那麼矽基元件（silicon-based devise）的最小尺寸是可以粗估的。

矽的共價鍵長度為0.111奈米。要組織一個元件的功能部分（silicon-based devise）—譬如通道—至少要有幾十個原子的內部，要不然物質表面的性質可能就會影響物質內部應有的性質，因而影響元件預計的工作特性。幾十個的矽原子就是幾奈米的長度了，離現有的EUV的理論解析度尺度並不遠，這也是當初產業界一口氣將波長推進至13.5奈米的考慮。

如果對原分子的控制可以更精細、物質的表面性質可以被精確掌控，因而使用較少的矽原子也可以構成有效元件，這時在半導體製程演化至物理的自然極限前，光源的波長還留有一個小窗口，這個窗口的候選人之一就是同步輻射的光。