EUV微影是什麼？用13.5 nm的光畫出電路的原理
EUV微影（極紫外光微影），是用波長13.5 nm、非常短的「光」（極紫外光），轉印晶片電路圖案的技術。波長越短，越能轉印細微的圖案，所以用在最先進晶片中最精細的幾層。這種光連空氣都會吸收，因此設備內部要抽成真空，並用反射鏡代替透鏡來傳送光。
這篇文章可以了解
- 曝光在做什麼（光阻與光罩的作用）
- 波長越短的光，越能轉印細微圖案的原因
- 從波長193 nm的光，進展到13.5 nm的EUV的過程
- EUV需要反射鏡與真空的原因，以及用錫產生光的原理
- 量產的課題、High-NA EUV，以及為什麼只有ASML製造設備
先備知識：如果知道晶片是重複「鍍膜、轉印圖案、削去」的作業做出來的，會比較容易閱讀。詳細說明請見「半導體晶片是怎麼做出來的？」。
生活中的例子：新聞裡的「EUV」
「Rapidus在北海道的工廠導入了EUV曝光機」「沒有荷蘭ASML的設備，就做不出最先進的晶片」。你也許看過這類新聞。日本的半導體公司Rapidus在2024年12月宣布，已把量產用的EUV曝光機運進千歲市的工廠。該公司表示，這是日本第一台用於量產的EUV曝光機。
EUV微影是製造「2奈米」等最先進世代晶片時不可缺少的技術。不過，它只是製造晶片的眾多製程之一。本文會依序說明EUV微影是做什麼的技術，以及為什麼需要這麼特別的設備。
曝光是什麼：用光轉印圖案的作業
晶片的電路，是在矽做的圓形薄板（晶圓）上，重複鍍膜和削去的作業做出來的。決定哪裡要削去、哪裡要留下的，就是「曝光」。用光轉印圖案的整套作業，也稱為微影（lithography）。
首先，在晶圓表面薄薄塗上一層照到光就會改變性質的藥劑。這種藥劑稱為光阻。多數情況下，只有照到光的部分，之後會溶於藥液。相反地，也有沒照到光的部分會溶掉的種類。
接著，透過畫有電路圖案的原版照光。這個原版稱為光罩。曝光機通常會把光罩的圖案縮小成4分之1，轉印到晶圓上。一次只能轉印晶圓的一部分，所以要一點點移動位置，把整個表面印滿。
照光之後，用藥液溶掉部分光阻，光阻上就會留下圖案。再削去沒有被光阻保護的部分，膜就會形成電路的形狀。這個流程，也可以在「半導體晶片是怎麼做出來的？」的圖中確認。
波長越短的光，越能印得細
光具有波的性質。從一個波峰到下一個波峰的長度，稱為波長。眼睛看得到的光，波長大約是400～700 nm。nm（奈米）是1 mm的100萬分之1。
光有一種性質：通過狹窄的縫隙後，會在後方擴散、繞過去。這種性質稱為繞射。光罩的圖案越細，通過的光就擴散得越厲害，影像也越模糊。圖案太細的話，就無法和旁邊的線區分開來。
波長越短，光的擴散就越小。因此，要轉印更細的圖案，就需要波長更短的光。實際上，曝光用的光已經從汞燈的436 nm和365 nm，縮短到雷射的248 nm、193 nm。
能轉印多細，不只由波長決定。透鏡或反射鏡能從多大的角度範圍收集光，也有影響。表示這個範圍的數字稱為數值孔徑（NA），數字越大就能轉印得越細。也可以靠改變光罩的形狀或照光的方式，逼近極限。
能轉印的細度，也稱為解析度。解析度可以歸納為「與波長成正比，與NA成反比」。寫成式子是「解析度 = k1 × 波長 ÷ NA」，稱為瑞利公式。k1是由照光方式、光罩和光阻的技術決定的係數。k1越小代表條件越困難，單次曝光在理論上不能小於0.25。可以用微影解析度計算器改變數字試試看。
從193 nm的光到EUV
從2000年代起成為主力的，是發出波長193 nm紫外光的雷射。它使用氬和氟的氣體，所以依元素符號稱為ArF（氬氟）雷射。使用這種光的曝光機，現在仍用在晶片的許多層。
為了用193 nm的光印得更細，出現了在透鏡和晶圓之間注滿水的方法。在水中，光的波長會比在空氣中短。利用這個效果，NA可以大於1。這種方法稱為浸潤式微影。ASML表示，旗下浸潤式設備的NA為1.35，能轉印到38 nm的細度。
比這更細的圖案，過去是把一個圖案分成好幾次轉印，再疊合起來做出。這種方法稱為多重圖案化。不過，曝光和削去的次數會增加，既費時又花錢，也容易產生位置偏差。
於是實用化的，就是使用波長13.5 nm光的EUV微影。EUV是「極紫外光（Extreme Ultraviolet）」的縮寫。波長約為193 nm的14分之1，能用一次曝光轉印細微的圖案。台積電在2019年宣布，使用EUV的世代（N7+）產品已經量產出貨。
為什麼需要反射鏡和真空
EUV的光有一個麻煩的性質：包括玻璃和空氣在內，幾乎所有物質都會吸收它。ASML也說明，EUV連空氣都會吸收。因此，從光源到晶圓，整條光路都要抽成真空。
光無法穿過玻璃，所以也不能用一般的透鏡。改成只用把光反射回去的反射鏡，來收集光並縮小圖案。光罩也一樣，用的不是讓光穿過的模板，而是依圖案形狀反射光的「反射式光罩」。
不過，一般的鏡子幾乎不會反射EUV。因此，要用把金屬鉬和矽的極薄膜交替疊上數十層的鏡子。每一層的交界處各反射一點點光，這些光的波峰對齊而互相增強。這種鏡子稱為多層膜反射鏡。
即使如此，一片鏡子最多也只能反射約7成，其餘會被鏡子吸收。例如經過10片鏡子，0.7連乘10次，到達的光只剩最初的約3%（這是為了容易理解而舉的計算例子）。這是EUV設備需要非常強光源的原因之一。
鏡子的表面也必須極度平滑。製造鏡子的是德國的蔡司（ZEISS）。蔡司說明，就算把鏡子放大到德國國土那麼大，最大的凹凸也只有0.1 mm左右。
光的產生方式：用雷射擊打錫滴
13.5 nm的光，無法用燈泡或一般的雷射產生。EUV曝光機是用金屬錫非常小的液滴來產生光。熔化的錫滴，以每秒約5萬顆的速度，射進真空的容器中（ASML的說明）。
對飛行中的每一顆錫滴，都打上強力的二氧化碳（CO2）雷射。先用較弱的光瞬間照射，把錫滴壓扁，再用強光一口氣加熱。錫會變成電子從原子剝離、非常熱的氣體。這種狀態稱為電漿。
錫的電漿，會強烈發出13.5 nm附近的光。這個波長，也和鉬與矽的多層膜反射鏡能良好反射的波長重疊。13.5 nm這個看似不整齊的數字，是依光源和鏡子的搭配選出的波長。
發出的光，由圍繞電漿的大鏡子（集光鏡）收集，送進設備深處。再從那裡經過好幾片鏡子照亮光罩，把光罩反射的圖案縮小，轉印到晶圓上。
量產的難關：光的亮度與偶然的缺陷
要在工廠使用，光是能印得細還不夠。1小時能處理幾片晶圓，會大大左右晶片的價格。這種處理速度，業界稱為吞吐量（throughput）。
光太弱的話，要讓光阻充分反應就得花時間，吞吐量會下降。再加上鏡子會讓光減弱，提高光源亮度長期以來都是課題。2024年開始出貨的設備（NXE:3800E），1小時最多可處理220片（ASML 2024年年報）。
另一道難關，是光粒子的數量。光也會表現得像許多小能量團的集合。這種能量團稱為光子。EUV一個光子的能量約是193 nm光的14倍，所以即使照射相同的能量，光子數也只有約14分之1。
光子少的話，有些地方到達得多、有些地方到達得少，這種偶然的不均就會變得明顯。這是因為到達的數量越少，偏離平均的比例就越大。結果，線的邊緣會變得參差不齊，小孔也偶爾會打不開。照射更多光可以減少不均，但每片要花更多時間，吞吐量就會下降。減少這種隨機發生的缺陷，是EUV的一大課題。
光罩的防塵也變得困難。光罩上只要附著小灰塵，用這片光罩轉印的所有晶片都會出現相同的不良。因此，要在光罩上方稍遠處張一層薄膜，讓灰塵不會直接附著。這層膜稱為光罩護膜。
在EUV中，光罩護膜也會吸收光。反射式光罩的光，去程和回程共兩次通過薄膜，損失也是兩倍。根據2021年的報導，ASML已開發出能讓約90%光通過的光罩護膜，並以量產為目標。薄膜要做得極薄，同時又要耐得住強光的熱。
High-NA EUV：提高數值孔徑，印得更細
要把波長再縮短，光源和鏡子都得重新製作，並不容易。於是接下來推進的，是加大NA的方法。用更大的鏡子，從更廣的角度收集光。這稱為High-NA EUV。
過去EUV設備的NA是0.33。High-NA的設備把NA提高到0.55。根據ASML，能轉印的細度從13 nm變為8 nm。
不過，並不是只有好處。NA加大後，能對焦的深度範圍會變淺。另外，一次能轉印的範圍，會變成過去設備的一半。這是因為為了壓低照到光罩的光的角度，圖案在縱向和橫向會用不同倍率（4分之1和8分之1）縮小。大的晶片需要分兩次轉印再接起來等方法。
為什麼只有ASML做得出來
截至2026年，以產品形式銷售EUV曝光機的，只有荷蘭的ASML。ASML在2025年的年報中，說明自己是「目前全球唯一的EUV曝光機製造商」。導入設備的Rapidus也有同樣的說明。同樣製造曝光機的Nikon（尼康）和Canon（佳能），也沒有銷售EUV設備。
原因之一，是開發所花的時間和金錢非常龐大。EUV經過漫長歲月的研究，開始用在量產工廠，是2019年左右的事。ASML在2012年接受英特爾、台積電和三星的出資，並建立了讓它們分擔部分開發費用的機制。
另一個原因，是和製造特殊零件的公司緊密結合。ASML在2013年收購了製造光源的美國Cymer。鏡子等光學零件由德國的蔡司製造，光源用的強力CO2雷射由德國的TRUMPF製造。EUV設備要結合這些公司的技術，才能成立。
常見的誤解
誤解：EUV畫出的是2 nm細的線
實際上，「2奈米」是技術世代的名稱，並不表示晶片的某個地方是2 nm。根據ASML的數值，EUV設備一次能轉印的細度是13 nm，High-NA也是8 nm。兩者都用nm表示，所以兩個數字容易被連在一起。詳細說明請見「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」。
誤解：最先進的晶片，每一層都用EUV轉印
實際上，用EUV的只有最精細的一部分層。其他許多層，現在仍用ArF等光轉印。EUV的設備和運作都很昂貴，所以只用在需要的層。台積電2019年開始的EUV世代，也只有重要的幾層使用EUV。
誤解：EUV微影是用雷射光畫出電路
實際上，雷射是產生錫電漿的「點火角色」。轉印圖案的，是電漿發出的13.5 nm的光。而且，並不是移動光點一條條畫線，而是用帶狀的光像掃描一樣，把光罩的圖案縮小轉印。這個誤解，容易來自「用雷射燒印電路」這類說法。
用數字來看
| 數字 | 代表什麼 |
|---|---|
| 13.5 nm | EUV微影使用的光的波長 |
| 193 nm | ArF雷射的光的波長（EUV的約14倍） |
| 38 nm | ArF浸潤式設備（NA 1.35）能轉印的細度（ASML） |
| 13 nm → 8 nm | EUV設備能轉印的細度。從NA 0.33提高到NA 0.55的High-NA（ASML） |
| 約14分之1 | 相同能量下到達的光子數（EUV與193 nm的光相比） |
| 約7成 | 一片多層膜反射鏡能反射的光的比例上限（大致數值） |
| 約5萬顆 | 光源每秒射出的錫滴數（ASML、TRUMPF的說明） |
| 220片 | NXE:3800E每小時能處理的晶圓最大片數（ASML 2024年年報） |
| 0.1 mm | 把鏡子放大到德國那麼大時，最大的凹凸（蔡司） |
把數字排在一起，就能看出EUV微影有多困難。用極度平滑的鏡子，傳送連空氣都會吸收的光，並從每秒數萬顆錫滴中產生光。在此之上，還要對每小時超過200片的晶圓，持續轉印13 nm細的圖案。
深入學習
- 用表格看差異：「EUV 與 DUV 曝光的差異」（波長、光學系統、光罩、成本）、「SADP、SAQP 與 LELE 的差異」（多重圖案化的方法）、「倍縮光罩（Reticle）與光罩的差異」
- 用技術逼近極限的方法：可以在「OPC、相位移光罩、離軸照明的差異」中，比較讓k1變小的技術。
- 用數字試試：可以用微影解析度計算器，計算改變波長或NA時，能轉印的細度和能對焦的深度（焦深）會怎麼變。
- 相關文章：「半導體晶片是怎麼做出來的？」（製程全貌）、「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」（世代名稱的解讀方式）、「晶圓代工是什麼？」（產業分工）