193 奈米的光，怎麼印出幾十奈米的線？浸潤式微影與多重曝光

193 奈米的深紫外光能印出幾十奈米的線，靠的不只是波長，還有四件事：鏡頭收得進多斜的光（數值孔徑）、在鏡頭和晶圓之間放一層水（浸潤式微影）、一層太密就拆成兩三次印（多重曝光），以及光罩上的圖先修過形。浸潤式微影也叫浸潤式曝光，英文是 immersion lithography，中國大陸多叫浸沒式光刻；193 奈米的光來自氟化氬（ArF）準分子雷射，所以也叫 ArF 浸潤式。多重曝光的英文是 multiple patterning，也叫多重圖案化。

微影的基本步驟見「微影（黃光）是什麼？」，光罩修形見「OPC 是什麼？」，這篇講另外三件。

光比線還粗，為什麼印得出來？

光穿過光罩上很細的縫，會往兩旁散開，這叫繞射；縫越細，散得越斜。曝光機的鏡頭要把散開的光收回來，在晶圓上重新拼成圖，而圖上最細的細節，就藏在散得最斜的那些光裡。

所以除了波長，還要看鏡頭收得進多斜的光，這叫數值孔徑（NA），越大收得越斜。

教科書的說法是：能印多細，大約等於「係數 × 波長 ÷ 數值孔徑」。係數看製程的本事（光怎麼照、光阻好不好）；一次曝光，理論上最低到 0.25，量產時都比它大一點。這裡的「多細」，指線和空隙一樣寬、密密排著時，一條線有多寬。

鏡頭和晶圓之間是空氣，為什麼不夠？

傳統的乾式曝光機，鏡頭最後一片和晶圓之間是空氣。光從玻璃斜斜地射進空氣，斜過某個角度就出不去，整個被反射回來，就像潛在水裡往上斜看，水面像一面鏡子。所以在空氣裡，數值孔徑一定小於 1，最好的乾式機台大約做到 0.93。

套進式子，0.25 × 193 ÷ 0.93，大約 52 奈米，是乾式一次曝光的理論極限。

放一層水，為什麼就好了？

折射率可以想成光在一種東西裡走得多慢。空氣是 1；對 193 奈米的光，水大約 1.44。鏡頭和晶圓之間換成水，原本被反射回去的斜光，就能穿進水裡、照到晶圓上，數值孔徑可以大於 1，最高大約做到 1.35。

光在水裡，波長縮成原本的 1 ÷ 1.44，193 奈米變成大約 134 奈米，「有效波長」變短了。

同樣的係數，數值孔徑從 0.93 變成 1.35，能印的線細了大約三成：0.25 × 193 ÷ 1.35，大約 36 奈米。量產時一次曝光，大約做到四十奈米上下。浸潤式從 2000 年代中期開始量產。

浸潤式曝光，一步一步要注意什麼？

水換來更細的線，也多了幾件要顧的事。

第 1 步：光阻上面先加一層保護

• 做什麼：塗完光阻（見「光阻是什麼？」），常再塗一層很薄的保護膜（top coat），或改用表面自己會變得不沾水的光阻。
• 為什麼：光阻泡到水，裡面的成分會溶出一點到水裡，水也會滲進光阻。
• 不這樣會怎樣：光阻的感光程度變了，線寬跟著偏，缺陷也可能變多。

第 2 步：水只待在鏡頭底下，一邊送一邊吸

• 做什麼：鏡頭底下有一圈罩子，一直把超純水送進鏡頭和晶圓之間的窄縫，再從外圈吸走。
• 為什麼：曝光時晶圓台在鏡頭底下高速移動，一格一格印；水只留在鏡頭底下那一小塊，才不會被甩出去。
• 不這樣會怎樣：水跑到不該去的地方，晶圓和機台上就多了水滴和髒東西。

第 3 步：水要很純、很穩，不能有氣泡

• 做什麼：用去掉溶解氣體的超純水（見「超純水有多純？」），溫度控制得非常穩。
• 為什麼：氣泡和微粒會把光散開，像鏡頭上沾了灰；水的折射率會隨溫度變，溫度一飄，光聚焦的位置也跟著飄。
• 不這樣會怎樣：氣泡的影子印進光阻，變成缺陷；焦點（口語也有人說焦距）偏了，圖就糊。

第 4 步：鏡頭走過，晶圓上不能留水

• 做什麼：晶圓表面做得很不沾水，罩子走過的地方，水被完整收走。
• 為什麼：晶圓台跑得越快，越容易在後面拖出小水滴；表面越不沾水，水越跟得上。
• 不這樣會怎樣：小水滴乾掉留下水痕，那裡的圖案就壞了。表面多不沾水，也限制了機台能跑多快。

一次還印不夠細，怎麼辦？

更密的線，一次曝光就分不開了。辦法是把一層拆成幾次做，叫多重曝光。常見的有兩種。

拆成兩張光罩，分兩次印

太密的一排線，一條隔一條分給兩張光罩，每一張上的線距都寬了一倍，一次印得出來。先印第一張、蝕刻下去，再印第二張、蝕刻下去，兩組線合在一起，線距就變一半。英文常縮寫成 LELE。

難處是對準：第二次要對準第一次，偏一點，空隙就一邊寬一邊窄（見「疊對是什麼？」）。

先做疏的線，再用側邊的膜當線（自對準）

1. 先做一排疏的線：線距是最後要的兩倍，一次曝光、蝕刻就做得出來。
2. 整片均勻長一層薄膜：像替每條線穿一件外衣。膜多厚，新的線就多寬，所以要長得很均勻（長膜見「薄膜製程是什麼？」）。
3. 往下刻掉頂上和底部的膜：只留下貼在每條線兩側的那一段。刻不夠，線之間還連著；刻太多，兩側的膜也會被削掉一些。
4. 把原本的線拿掉：兩側的膜留下來，一條線變兩條，線距變一半。新線跟著原本的線走，不用再對準一次，所以叫自對準（SADP）。
5. 再印一張切斷用的光罩：做出來的是一排排首尾相連的線，要把不要的線段切開。不切，不該通的地方就連在一起。

同樣再做一輪，線距就變成四分之一。

代價是什麼？

• 光罩變多：最難印的那一層，要兩張以上的光罩（一套光罩為什麼貴，見「光罩是什麼？」）。
• 步驟變多：每多一次印、刻、長膜，晶圓就多跑幾站、多等一陣子，也多一次出錯的機會。
• 對準更嚴：幾次做出來的圖要拼成一層，能偏的距離比一次印更小。
• 圖不能隨便畫：靠太近的兩個圖，不能放在同一張光罩；自對準的做法，最好是一排排平行的線。

最細的層，後來怎麼辦？

最細的那幾層，後來改用波長約 13.5 奈米的極紫外光，有些層一次就印完，見「極紫外光（EUV）是什麼？」。其他很多層還是用 193 奈米的浸潤式：一顆晶片有幾十層，不是每一層都那麼細。

在 fab24hr 裡

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到製程工程師，名字下面點「黃光」，就是黃光製程工程師。早班「對準超規」，P-3A08 的疊對超出規格，要決定重工還是照跑。

點無塵室左邊的黃光區，說明卡上按「拆開來看」，就是曝光機的模型。其中一個零件「浸潤罩」寫著：「鏡頭最下面一片和晶圓之間，只隔一層很薄的超純水。」按「看它怎麼動」，看光罩和晶圓反方向一起掃、一格一格印。首頁「學習」分頁的「曝光機」，也是同一台。遊戲沒有說曝光機的數值孔徑，也沒有演多重曝光。機台模型是通用的示意；遊戲裡的公司、人物、批號和數字都是虛構的，浸潤式與多重曝光照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。