最近看了硅谷101介紹EUV的視頻(連結請參考reference)，正好也在研究半導體製程的相關知識，所以分享一下個人心得，歡迎討論。
最近看了硅谷101介紹EUV的視頻(連結請參考reference)，正好也在研究半導體製程的相關知識，所以分享一下個人心得，歡迎討論。¶
- Source: Ted Yu
- Published: 2025-08-14T10:26:22+08:00
- URL: https://ytyuted.substack.com/p/ep11-euv EP11. EUV簡介 - Ted Yu
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EP11. EUV簡介¶
Aug 14, 2025
最近看了硅谷101介紹EUV的視頻(連結請參考reference)，正好也在研究半導體製程的相關知識，所以分享一下個人心得，歡迎討論。
可以參考ASML High NA EUV的介紹短片:
1. 光刻機(Photo Lithography)簡介¶
1.1 半導體製程主要製程模組
這張圖顯示的是一個次微米 CMOS 製程中，晶圓在前段製程（Front-End）中的六大主要生產區域（tools/製程模組）及其流程關係。以下是六大模組的簡介：
1.Diffusion（擴散）：高溫熱處理，進行摻雜驅動或熱氧化形成 SiO₂。
2.Thin Films（薄膜沉積）：利用 CVD、PVD、ALD 沉積導電層、絕緣層或阻擋層。
3.Polish（CMP 平坦化）：化學機械研磨，去除多餘材料並使表面平坦。
4.Photo（光刻）：將電路圖形轉移到光阻層，進行圖形定義。
5.Etch（蝕刻）：選擇性去除不需要的材料，形成所需圖形。
6.Implant（離子佈植）：用離子加速器將摻雜離子植入晶圓特定區域。
Photo（光刻）是晶圓製程的重中之重，因為它決定了晶片的線寬、圖形精度與層間對位，直接影響效能、功耗、良率與製程世代，是所有製程中最關鍵且最昂貴的一環。
由於光阻耐熱性低，光刻後無法直接進行高溫製程，必須先完成低溫步驟（蝕刻、佈植）、去除光阻，再進行高溫製程，導致製程分段與往返次數增加，使整體製程更複雜、時間更長、成本更高。
1.2. 歷史
光刻機從早期Contact/Proximity接觸式（汞燈 g 線 436 nm）演進到Stepper縮小投影（i 線 365 nm）、Scanner掃描投影（KrF 248 nm、ArF 193 nm、浸沒式 ArFi），再到今日的EUV（13.5 nm 全反射光學）。
產業競爭從 PE(美)、GCA(美)、Nikon(日)、Canon (日)多強並立，逐步集中到 ASML(歐) 在先進節點的壟斷地位。
關於這段光刻機發展史，推薦看三圈教練的詳細介紹，連結在Reference。
1.3. 三大部件
光刻機的三大核心部件簡介如下：
照明系統（Illumination System）
產生並調整曝光光束的均勻性、強度與入射角分佈。
包含光源（汞燈、KrF/ArF 雷射、EUV 光源）與光學整形模組（如整形透鏡、均化器、光闌）。
投影光學系統（Projection Optics）
將光罩（Reticle）上的圖形縮小（通常 4:1 或 5:1）並高精度投影到晶圓上。
193 nm 及更長波長採透鏡系統；EUV 採全反射多層鏡系統。
高數值孔徑（NA）與低像差是關鍵指標。
成本最高
晶圓平台（Wafer Stage）
高速且高精度移動晶圓，配合 Stepper 的逐點曝光或 Scanner 的同步掃描。
需具奈米級定位精度與低震動控制，並整合對位系統（Overlay Alignment）。
關於晶圓平台，可以參考ASML TwinScan:
這次報告著重在照明系統和投影光學系統:
2. 照明系統¶
2.1. Rayleigh 解析度公式
光刻解析度的經典公式是Rayleigh 解析度公式：
公式說明
CD（Critical Dimension）：最小可解析線寬（半節距(pitch)）。
k₁（工藝因子）：與光學照明條件、光阻特性、像差校正等有關的經驗係數（理論下限 ~0.25，實務 ~0.3–0.5）。
λ（波長）：曝光光源的波長（單位 nm）。
NA（Numerical Aperture）：投影光學系統的數值孔徑，NA =n·sinθ，n 為介質折射率（空氣約 1，浸沒液約 1.44），θ 為最大入射角
2.2 光源的演進
光源波長 λ 與解析度 CD 成正比，所以波長越短，曝光時的繞射效應越弱，影像邊緣更銳利，細節保留度更高，最小可製作線寬就越小。這也是光刻光源演進的核心驅動力。
2.3. 13.5nm EUV的選擇
13.5 nm 是 EUV 光刻的最佳折衷點，原因有三：
反射鏡效率最高：Mo/Si 多層反射鏡在 13.5 nm 的峰值反射率可達 ~70%，更短或更長波長效率都會下降。
光源易產生：錫等離子體在 13.5 nm 附近有強烈譜線，能高效率輸出帶內光。
系統可行性好：低於 10 nm 吸收過強，真空與材料要求過高；高於 15 nm 則反射率與光強不足。
因此它在光強、反射率與工程可行性間達到平衡，成為業界標準。
分別解釋如下:
反射鏡效率最高
EUV容易吸收無法用透鏡，只能用多層布拉格反射鏡（Mo/Si 多層膜，約 40–50 對）
Mo/Si 多層反射鏡在13.5 nm的峰值反射率可達 ~70%
光源產生
產生 13.5 nm（EUV）的主要方法:
LPP-Sn：雷射產生錫等離子體（Laser-Produced Plasma, Tin）— 唯一量產方案
DPP（放電產生等離子體，Xe 或 Sn）— 研究或早期原型
同步輻射 / 自由電子雷射（Synchrotron / FEL）
請參考大劉科普的解說，連結在Reference。
LPP EUV 光源會用兩次 CO₂ 雷射打擊錫液滴：
預脈衝：先將飛行中的錫液滴展平成薄盤，增加受光面積。
主脈衝：高功率雷射擊中薄盤，產生高溫錫等離子體，釋放 13.5 nm EUV 光。
此方式可提升轉換效率並減少碎屑。
可以參考ASML EUV視頻:
1990 年代 EUV LLC（由美國三大廠與國家實驗室組成）確立13.5 nm 為產業標準波長，方便光罩、反射鏡、光阻與檢測設備一致化，降低開發成本與風險。ASML唯一加入的非美國公司。
ASML 的加入讓其在早期就掌握 EUV 核心光學與系統整合技術，後續成為唯一商用 EUV 掃描機供應商，與 Zeiss 深度合作反射鏡系統。
2.4. 照明系統設計
原理簡介:
Abbe 理論指出，要解析物體上的細節，需要接收到至少0階 + 一階繞射光（0th + 1st order diffraction）。
若孔徑(aperture)太小，只能通過 0 階光，缺乏高頻資訊，影像將失去細節。
增大孔徑(aperture)，可以收集到更多高階繞射光（±1、±2 階），保留更多空間頻率，解析度提高。
Abbe 成像理論在光刻照明系統中的應用：
透過設計不同形狀的光源分佈（source shape），選擇性地讓特定繞射級次進入投影光學系統，來最佳化成像對比與解析度。
圖中四種光源模式
Conventional（傳統均勻圓形光源）
收集所有方向的繞射光，對大多數圖形通用，但對高頻線寬的對比度有限。
DipoleX（雙極 X 向）
僅在 ±X 方向保留高頻繞射光，適合橫向線條（垂直方向頻率高）的成像，顯著提升對比。
CQuad（Cross Quadrupole）
四個象限保留繞射光，適合雙向線條/格柵結構，提升 X 與 Y 方向的解析度與對比。
Customized（客製化光源）
根據特定版圖的空間頻譜需求設計光源形狀，強化需要的繞射級次，抑制不必要的成分。
以前根據 Abbe 理論，光源圖案設計是在頻率域（pupil plane）做一次性的濾波與加權，確保成像時保留關鍵高頻繞射成分，以提升解析度與對比度，但整片晶圓曝光時光源形狀固定。
現在的動態照明調整則是在掃描曝光過程中即時改變 pupil plane 的光源分佈，針對不同區域的圖形特性動態選擇最適合的頻率濾波與加權模式，例如密線用 Dipole、孤立線用 Conventional、孔洞用 CQuad，讓整片晶圓上每個位置都能在最佳成像條件下曝光，進一步提升解析度、對比度與製程一致性。
FlexRay: 微鏡陣列（MEMS Mirror Array），在光瞳平面利用MEMS，動態形成所需光源圖案:
阿貝(Abbe)是光學理論奠基者，提供了光學設計的數學與物理原則；蔡司(Zeiss)則是實業家，將這些原理落地為高精度光學產品。兩者合作推動了 19 世紀後期光學的革命，也直接影響到今天的半導體光刻技術發展。
3. 投影光學系統¶
3.1. Wavefront Aberration（波前像差）
波前像差是指光波通過光學系統後，其波前形狀偏離理想球面或平面的程度。
理想狀態：所有光線經光學系統後，同相位到達焦點，波前為完美球面（或平面）。
實際情況：因鏡頭製造誤差、材料非均勻、熱變形或對準偏差，波前會出現形變，導致成像模糊或解析度下降。
主要影響
降低對比度與解析度，影響光刻臨界尺寸（CD）與對位精度。
對於光刻機，高 NA 與短波長使像差更敏感，因此需嚴格控制在奈米甚至亞奈米等級。
這些光學設計的確是為了在高 NA 與短波長條件下，盡可能維持理想波前，降低 wavefront aberration，確保臨界尺寸（CD）精度與對位能力。
3.2. NA(Numerical Aperture) 和 DoF(Depth of Focus)
在光刻中，NA（數值孔徑）與 DoF（景深）呈反比平方關係:
NA 提高 → 解析度提升：依 Rayleigh 解析度公式 λ，更高的 NA 可印製更細線寬。
但 DoF 急劇縮短：因為 DoF 與 NA² 成反比，NA 提升會讓焦距容忍度大幅下降，例如從 NA=0.6 到 1.35，景深縮短到原本約 1/5。
製程挑戰增加：景深變小意味著曝光時對焦系統、晶圓平坦度、平台穩定性與像差控制都需更嚴格，否則容易造成 CD 偏差與良率下降。
EUV High-NA 更嚴苛：雖解析度可達 <8 nm，但 DoF 僅數十奈米，必須依賴更精密的對焦與主動平台補償技術。
3.3. OPC(Optical Proximity Correction)
OPC 是在光罩設計中引入微小的形狀修正，以補償曝光與光學系統帶來的鄰近效應（Proximity Effect），讓實際曝光後的圖形更接近設計目標。
藉由在設計階段預先補償光學與製程誤差，提升線寬精度（CD control）、形狀保真度與良率，是先進節點光刻中必不可少的技術。
3.4 SMO(Source Mask Optimization)
Source Mask Optimization（SMO）是先進光刻中的解析度增強技術，透過同時優化照明光源形狀與光罩圖案，讓晶圓成像品質最佳化。
它將光源與光罩視為聯合設計問題，利用大量計算模擬（計算式微影）調整兩者，使複雜圖形在曝光後更接近設計目標，並可搭配 OPC 提升解析度與製程容忍度。
4. Computational Lithography(CL)¶
CL（計算光刻）是利用數值模擬、演算法優化與高性能計算，來改善光刻製程解析度、對位精度的整體技術體系。
CL 並非單一演算法，而是整合多種優化技術與模型的系統性方法，涵蓋：
-
SMO（Source-Mask Optimization）：同時優化光源形狀與光罩圖案，以提升成像解析度與對比度。
-
ILT（Inverse Lithography Technology）：基於反向求解，計算最佳光罩形狀，能處理複雜與非規則圖形。
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OPC（Optical Proximity Correction）：針對鄰近效應的修正，補償光學與製程造成的圖形變形。
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Aberration-aware 模型：引入波前像差的修正，提升模擬與優化的真實性。
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AI/ML 輔助優化：透過機器學習加速參數搜尋與模型擬合，降低計算成本。
-
與 APC（Advanced Process Control）整合：使優化可根據線上製程監測結果動態調整
近年來，AI（人工智慧）已深度融入 Computational Lithography，主要是因為先進節點下的光刻模擬與優化運算量極大，傳統演算法與 HPC 難以承受，AI 在此可作為加速器與智慧搜尋器，提升設計速度與製程良率。
製程與運算能力的正回饋循環，在半導體產業裡越來越明顯:
更先進的製程 → 更強 AI 晶片 → 更快的製程優化 → 再推進製程
形成「技術加速螺旋」，推動摩爾定律在 HPC / AI 應用場景下延續
特別在Computational Lithography（CL）這類超大計算量任務中，效果最明顯。
請參考ASML的視頻:
[Reference]
人类会被困在1nm吗？深度解析光刻机与芯片制程的未来【深度】
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