這篇是科普文章的第一篇，建議大家收藏，主要會科普現在大家都知道，最紅的曝光機！只要看了這篇包準能成為朋友聚會公司聚餐桌上的懂王！
台灣身為半導體之島，許多產業都與半導體相關，而全世界現在又都離不開半導體，從軍事醫療國防，到一般民眾的食衣住行娛樂都離不開半導體，那大家看電視新聞一定常常聽到『奈米』這個詞，像是台積電開始量產2奈米，中國自研的7奈米晶片等等...
首先奈米是10的-9次方公尺，大家可能沒有概念(因為太小了)，一般來說我們的頭髮大概是10微米(um)，而10um大概是10000奈米(nm)，大家就有一個初步的大小概念了，不過這不太重要，也不需要特別去記，因為這些都是定義單位而已XD
接下來我們要講的是機台裡面的參數，我們都知道目前要製造晶片，全世界機台廠商有不少，但如果是大家最常聽到的『曝光機』，目前來說主流只有三家。
對，有三家，大多數媒體只會提到荷蘭的ASML，但其實還有日本的尼康(Nikon)和佳能(Canon)，沒錯就是賣相機的那兩家。
因為曝光機非常複雜，但最重要的兩個元件分別是光源和透鏡組，尼康和佳能在透鏡設計上累積了非常龐大的經驗，這也讓它們得以成為世界主流的曝光機製造商，但因為一些歷史的原因，目前尼康和佳能在中高端的機型已經遠遠被ASML甩在後頭...有機會再和大家分享吧！
大家只需要記得中高端的曝光機市場基本上ASML目前佔最大部分，中低端的部分尼康和佳能還有一戰之力。
這邊就來分享目前主流曝光機的幾種機型，那目前最主流的也是大家一定都聽過的曝光機EUV和DUV，不過剛剛有提到還有比較低端的機型，像是g-line和I-line，會有這幾種的區分主要是因為光源波長和對應的光阻劑的關係：
- 紫外光UV：G-line(436nm)和I-line(365nm)
- 深紫外光DUV：KrF(248nm)與ArF(193nm)
- 極紫外光EUV：錫電漿(13.5nm)
有了光源之後，我們就可以來考慮曝光機裡面的光學元件，基本上曝光機裡面最重要的兩個部分就是光源和光學元件，那DUV和EUV兩種使用的元件大不相同，等等會提到為什麼要選擇完全不一樣的路線…
在講光學元件之前，我們要先了解半導體製造，也就是我們常常聽到的幾奈米，究竟跟甚麼有關？實際上我們聽到的這個幾奈米製程在以前確實指的是閘極長度(gate length)，但到後面大家一定聽過的FinFET(鰭式場效電晶體)成為主流不斷微縮之後，現在這個幾奈米通常用來形容電晶體中最小的地方feature size，意義已經從實際長度變成了代的概念，大家要明白一個概念，就算是目前台積電最先進的製程或是技術，整個晶片裡面也沒有任何一個單一元件達到5nm(就更別提甚麼2nm了)
不過話雖如此機台與半導體能做到的半週距(half pitch)還是有直接的關係，這個公式如下：
Half pitch = k1(工程係數)*(波長)/NA(數值孔徑)
所以想要半導體越做越小，以公式來說就幾條路：
- 降低工程係數k1、
- 降低光源波長
- 提高光學元件的數值孔徑。
解析度增益技術就是在降低工程係數，包含之前大家常常聽到的多重曝光(multiple patterning)也是這個範疇，另外還有光學鄰近校正(OPC)等也是體現在這裡，而這個工程係數通常與半導體代工廠(台積電/聯電)有很大的關係，當然機台(ASML)也須要有相應的能力配合，那對於機台來說能夠讓半導體製程做得更小，更直接的方法就是降低光源的波長和提高光學元件的數值孔徑。
前情提要完之後，我們就可以來講目前主流的兩種機台DUV和EUV啦！
首先是DUV，波長已經比前一代的I-line,g-line降低到248nm/193nm，接下來就是要想如何提高光學元件的數值孔徑，這個數值孔徑給大家最白話的科普就是，NA越大整個系統能夠收到的光就越多，但難度也隨之而來，提高NA的同時由於大角度的光線也能進到系統之中，所以會產生許多像差，像差有非常多種，以後再和大家詳細介紹，那要如何在提高NA的同時消除這些像差？
下圖就擷取自：光學微影縮IC百萬倍 | 林本堅院士(後面會提到的大神，也是台積四騎士之一)
這裡就需要非常複雜的光學設計了，DUV機台中最貴也是最複雜的元件之一就是這個透鏡，當年一個透鏡要價可以高達6000萬美元！為什麼這麼貴？
當然除了非常複雜和精密的設計之外，這些透鏡的誤差必須超級小，小到什麼概念？就是設計和製作出來誤差要在波長的1/50左右，也就是193nm的波長，這些透鏡的誤差需要在4nm的量級！知道為什麼ASML願意花這麼多的錢在透鏡上了吧！(不過更可怕的是EUV的誤差更小...我們後面提到)
我們利用不同透鏡的性質消除像差，但波長在193nm之後也到了瓶頸，並且NA最大的值就是1(假設在空氣中)並且當時還沒辦法很好的激發出13.5nm的光源，所以林本堅院士也是台積前研發副總就提出浸潤式DUV(就是濕式DUV)，因為NA的算法其實跟角度還有折射率有關！
NA=n(折射率)*sin(theta)
而水的折射率又比空氣高(水1.44 v.s 空氣1)，可以等同於將波長縮小成134nm(193nm/1.44)或是NA變成1.35！大家如果去看ASML DUV的官網如下圖，波長雖然還是193nm，但NA已經超過1，且為了區分乾/濕DUV，在機台的型號後面會加一個i(immersion浸潤的意思)。
而DUV就算使用多重曝光技術，理論極限大約是5nm，如果要發展5nm以下製程就需要用到EUV！
EUV的光源前面提過是13.5nm，這時候會有朋友問說，換一個光源不能用同樣的透鏡設計嗎？
沒錯，不行！
因為DUV機台波長是193nm，雖然已經到了深紫外光波長，但在空氣或是對於鏡頭的吸收還是比較少的，但EUV的光源已經到了極紫外光，13.5nm的光在空氣中就會被吸收，並且大部分的光學元件(透鏡)的材料根本無法穿透，因為光打到透鏡之後大部分都被吸收了！所以科學家們在設計EUV的時候首先環境要接近真空，確保光源不會被吸收，但要增大光學系統的NA或是消除光源的不均勻性等問題怎麼辦呢？
就只好把透鏡換成反射鏡！
如下圖(圖片來源ZEISS)可以看到是ASML EUV從一堆透鏡變成一堆反射鏡啦~~
那為什麼要這麼多反射鏡？還是跟DUV類似(當然複雜很多)首先是要先解除像差，要讓光源打出來的光夠漂亮(可以想成打到光罩上的光線要均勻對比度也要夠)，另外就是要增大NA(因為EUV效率很很很低，光源出來的光最後到wafer晶圓上只剩下1%的能量…別急等等會講為什麼XD)
一定有朋友會有同樣的問題就是：就算用成反射鏡難道就不會吸收了嗎？
當然還是會的…所以科學家們就馬上想到了有一種特殊度膜的方式，可以提升反射率，這種叫做DBR(distributed Bragg reflector分散式布拉格反射鏡)，其概念就是利用兩種不同材質折射率不同，會有不同的穿透反射吸收，如此一來經過每一層鍍膜的厚度設計並且堆疊，就可以讓多數的光反射出去，實現高反射層！
經過科學家們的努力，發現在EUV這個波段使用鉬(MO)與矽(SI)層層堆疊可以達到理論約65%左右的反射率(沒錯還是很低但已經算很好了…)這也是為什麼EUV效率會這麼低，大家想一下每經過一片反射鏡光就剩下60幾%的能量，經過一堆反射鏡最終到我們wafer上就剩下1%的能量啦…(所以EUV絕對是一個吃電怪物)，除了鍍膜上非常複雜之外呢...前面提到透鏡需要非常精細，那這些反射鏡呢？
為了有更好的反射效率，有些反射鏡需要打磨的非～～～常平，有多平呢？
一般來說EUV的反射鏡直徑大概落在20cm~1.5m(high NA EUV的反射鏡最大的就是這麼大！)，那在這個直徑底下，平均的起伏要小於1nm(有些要求到0.5nm以下)，對，就是這麼平！等比例放大的話就是，之前ZEISS舉例美國這麼大的面積底下，最高的山丘不能超過0.4mm！所以EUV裡的透鏡可以說是全太陽系裡最平坦的地方也不為過！
圖片來源：BATOP GmbH
EUV介紹完之後接下來我們按照慣例要來上點不一樣的…
