同步輻射能當曝光機光源嗎？ （二）

同步輻射所產生的光，是由電場加速帶電粒子因而產生輻射產生的光，不像雷射是利用原子天然能階之間的躍遷（transition）產生的相干光（coherent light），光源波長是可以控制、設計的。

同步輻射產生光的波長，從遠紅外（far infrared）至hard X-ray，大約是10幾微米到0.01奈米，這波段已足以處理矽基半導體製程的所有波長需求。

高於DUV波長的光就不必討論了—已有既存成熟的設備，不必再重新發明輪子。可以討論的是現在EUV波長波段，以及將矽基半導體推向物理極限的幾奈米波長的光。

用同步輻射做為光源有個明顯好處，即為光的亮度充分。只要加速器中心能穩定控制的電流夠大—就是電子夠多，輻射光的亮度便充分—這個可以立刻解決現在EUV產量不夠好的窘境。

另一個好處是光源成本的下降。

一個同步輻射圓形加速器至少可以有十幾、廿個出光口。一個同步輻射加速器要多少經費呢？1980年代台灣開始建造同步輻射時，預算是幾千萬美元；雖然後來還有追加預算，平均一個光源才數百萬美元的成本。對於現在價格動輒上億美元的曝光機台，這個成本不算是錢。

但是同步輻射光源也面臨現在EUV因光的能量較高，容易被物質吸收的問題。如果波長更短，問題愈嚴重。

同步輻射在解決高能量光源會被物質吸收的問題上，可用的光徑安排方式有幾個。

第一個，自然是與EUV相同的反射式鏡面。但是因為波長不同，材料和鍍膜必須要再調適；

第二個，還是用透鏡，但是透鏡材質變成矽或鍺，這樣也能聚焦X-ray；

第三個，是波帶片（zone plate），片上有多個不同半徑同心圓上的狹縫，X-ray通過波帶片產生繞射（diffraction），因而聚焦。

以上都是同步輻射既有的光學元件。但是同步輻射是儀器（instrument），而曝光機是量產設備（equipment），二者要求的精度、可靠性、成本等有巨大差距。

同步輻射要做為曝光光源有2個大挑戰。同步輻射基本上是個圓形加速器，出光口散布在圓周週邊，這個格局與現在的晶圓廠的布局（layout）天差地別。如果使用同步輻射，會大幅更動晶圓廠的運作方式，甚至是一些介面規格。

這也是當初半導體產業選擇使用現在EUV的理由之一。EUV雖大，但是長的方方正正的，而且每部機台獨立運作。

第二個挑戰是維修時的停機時間（downtime）。設備維修，停機理所當然。但是同步輻射加速器的維修會導致每個出光口同時停機，晶圓廠就處於關閉狀況。

在半導體產業眼中，這是只有在災難時才會出現的狀況。

半導體產業的邏輯一般是將既存的技術和設備榨出最後一滴價值，最大幅度的降低設備折舊（depreciation）與技術攤提（amortization）。所以現在曝光機的發展主流是盡其所能的提高EUV的亮度以及解析度，並且佐以其他非曝光手段如奈米壓印（nanoimprint）與定向自組裝（DSA；Directed Self-Assembly）等方法，以期能夠支撐到矽基精細元件的物理極限。

如果最終還是需要同步輻射來推進解析度，是否花巨大的研發經費來開發，只供一、兩個技術節點使用？這對於半導體產業將是個很艱難的抉擇。