微影是什麼？用光轉印半導體電路圖案的製程

生活中的例子：黃色的房間與「litho」

你也許在半導體工廠的照片中，看過黃色照明的房間。那裡就是進行微影的地方。這道製程使用的藥劑，會對藍光和紫外線起反應，所以照明中去除了這些光。工廠房間的結構，在「無塵室是什麼？」中有說明。

微影的英文是photolithography。「photo」是光，「lithography」原本是用石版印刷的方法名稱。也就是「用光印刷」的意思。也常簡稱為「litho」，或依照光的作業稱為「曝光」。進入半導體公司後，這應該是最先聽到的詞之一。

原理1：步驟是「塗佈、曝光、顯影」

微影的目的，是在膜上做出「模板」。有了這個模板，下一道製程就能只削去或加工指定的地方。模板的材料，是照到光之後，在藥液中溶解的難易度會改變的藥劑。這種藥劑稱為光阻。

首先，一邊讓晶圓高速旋轉，一邊把液體的光阻滴在中心。光阻會向外擴散，形成極薄又均勻的膜。轉速可以調整膜的厚度。之後稍微加熱，讓液體中容易蒸發的成分（溶劑）揮發，使膜變硬。

接著，照光的設備（曝光機）會讀取晶圓上的記號，和前一層的圖案對準位置。然後，透過畫有電路圖案的原版照光。只有照到光的部分，光阻的性質才會改變。

許多光阻在照光之後，還要再加熱一次。因為光產生的物質，加熱後會讓反應繼續進行，拉大溶解難易度的差距。最後淋上藥液，部分光阻溶解，圖案就留了下來。這個作業稱為顯影。

光阻的圖案完成後，就削去沒有光阻覆蓋的膜。這個作業就是蝕刻（「蝕刻是什麼？」）。也可以不削去，而是從縫隙打入特定元素，改變指定地方的導電難易度。這稱為離子佈植。完成任務的光阻會被去除，然後進入下一層。

原理2：正型與負型光阻

光阻有兩種，對光的反應正好相反。一種是照到光的部分會溶解，另一種是照到光的部分會留下。前者稱為正型光阻，後者稱為負型光阻。

即使用同一片原版，做出的圖案也會黑白相反。正型光阻中，原版透光的地方會變成溝。負型光阻中，只有那些地方會留下。請在下圖比較兩者。

現在晶片中精細的層，主要使用正型光阻，因為比較容易做出清晰的細微圖案。負型光阻用在非常厚的膜、需要特殊剖面形狀的地方，也用在最先進晶片的部分層。兩者的差異，可以在「正型與負型光阻的差異」的表格中比較。

原理3：把原版的圖案縮小成4分之1轉印

畫有電路圖案的原版，稱為光罩。用於縮小轉印設備的光罩，也特別稱為倍縮光罩（reticle）。材料是邊長約152 mm的正方形石英玻璃板，用遮光的膜畫出圖案。用語的區別，整理在「倍縮光罩（Reticle）與光罩的差異」。

在現今主要的曝光機中，原版的圖案會做成晶圓上圖案的4倍大。曝光機再用透鏡把它縮小成4分之1轉印（ASML的說明）。原版做得大，比較容易精確做出細微的圖案。原版上微小的偏差或小灰塵，到了晶圓上也會變成4分之1。

ASML的設備一次能轉印的範圍，在晶圓上最大為26 mm × 33 mm（例如NXT:1965Ci的規格）。要轉印到直徑300 mm的整片晶圓，需要一邊移動位置，一邊轉印約100次。例如，ASML在2017年開始出貨NXE:3400B。標示這台設備的處理片數時，條件是每片晶圓轉印96次。

原理4：塗佈和轉印是不同的機器

微影大致使用兩種設備。一種是塗佈光阻、加熱、顯影的設備，稱為塗佈顯影機（coater/developer），業界也稱為「track」。另一種，是對準位置並照光的曝光機。

兩者通常並排、直接相連使用。晶圓在塗佈顯影機塗上光阻後，送到曝光機；轉印完成後，再送回來顯影。光阻的成品，也會因照光後經過的時間和溫度而改變。連成一條生產線，比較容易讓條件一致。

曝光機有兩種轉印方式。過去的主力，是一次轉印一個區塊的圖案，再移動晶圓轉印下一塊的設備。這稱為步進機（stepper）。Nikon（尼康）說明，該公司在1980年推出的NSR-1010G，是日本國產第一台步進機。

現在的主力，是使用細長帶狀光的設備。原版和晶圓在光帶下方，同時朝相反方向移動，像描畫一樣轉印。這種設備稱為掃描式曝光機。縮小比例是4分之1，所以原版會以晶圓4倍的速度移動。透鏡只要在光帶範圍內成像良好即可，所以比較容易轉印大範圍。

速度也很重要。ASML在2024年11月給投資人的資料中表示，NXT:2100i每小時能處理295片以上。這裡假設每片轉印96次，由本文自行簡單計算。295片乘以96次，再除以1小時的3,600秒，約為7.9。也就是說，換算下來每秒約轉印8次。

原理5：能轉印到多細

光有一種性質：通過狹窄的縫隙後會擴散。原版的圖案越細，通過的光擴散得越厲害，影像就越模糊。太細的話，相鄰的線會連在一起，無法區分。

光的波長越短，擴散就越小。波長是光波從一個波峰到下一個波峰的長度。另外，透鏡能從越大的角度收集光，就能印得越細。表示這個角度大小的數字，稱為數值孔徑（NA）。

歸納起來，能轉印的細度可以視為「與波長成正比，與數值孔徑成反比」。在光學中，取物理學家瑞利之名，稱為瑞利公式。實際上，還要乘上由照光方式和光阻技術決定的係數。公式在「EUV微影是什麼？」中有說明。也可以用微影解析度計算器改變數字試試看。

工廠會依各層需要的細度，分別使用不同的光。nm（奈米）是1 mm的100萬分之1。主要使用波長365 nm、248 nm、193 nm的紫外線。最精細的層，則使用波長13.5 nm的極紫外光（EUV）。EUV的設備非常昂貴，所以不用在較粗的層。EUV的原理整理在「EUV微影是什麼？」。

原理6：以數nm的精度疊合各層

晶片是把數十層疊起來做成的。上層的圖案，必須和下層的圖案精確重疊。例如，連接上下導線的細柱子，必須位於下層導線的正上方。相對於前一層，能疊得多準確，稱為疊對精度。

容許的偏移，比導線的間距小得多。2020年左右最先進的晶片中，細導線以約36 nm的間距排列（IEEE Spectrum）。因此，偏移必須壓在數nm以內。ASML在同一份2024年11月的資料中表示，用2台NXT:2100i轉印的層之間，偏移在1.3 nm以下。

為此，曝光機會用光讀取晶圓上多處的記號，算出前一層的位置後再轉印。溫度也要保持一致。因為矽受熱會稍微膨脹，光是這樣就會造成nm等級的偏移。這部分在「無塵室是什麼？」中也有提到。

一次印不出來時：多重圖案化

曝光機一次能轉印的細度有極限。比這更細的圖案，要分成好幾次做出來。這種方法稱為多重圖案化。

其中一種做法，是把圖案分到2片原版上，重複2次曝光和蝕刻。因為每隔1條線分開轉印，線的間距可以縮小到一次轉印時的一半。不過，第2次必須和第1次精確疊合，對疊對精度的要求會更嚴格。

另一種做法，是在一次轉印出的線兩側鍍上膜，再把這層膜當成新的線。1條線可以變成2條線，位置由膜的厚度決定。兩種做法都會增加製程，既花時間又花錢。各種方式的差異，可以在「SADP、SAQP 與 LELE 的差異」中比較。

為什麼是成本很高的製程

微影在半導體製造成本中，占了很大的比例。國際半導體技術藍圖（ITRS）彙整了業界對技術的展望，其2007年版中有一項估計。包含光罩、光阻和量測在內，約占製造成本整體的30～40%。不過，它也寫道，這會因產品的種類和數量、設備的新舊而大幅改變。這是較舊的估計，可能和現在的比例不同。

原因主要有3個。第1，每一層都要重複。ASML說明，做出一顆晶片要轉印圖案100次以上。第2，曝光機本身很昂貴。關於最先進的EUV曝光機，ASML在2025年的年報中，說明自己是全球唯一的製造商。設備價格的大致行情，請見「半導體設備是什麼？」。

第3，每種晶片、每一層都需要原版。一種晶片要備齊數十片原版，才能開始製造。用同一套原版做出越多晶片，每顆的成本就越低。

誰在製造？

微影的設備和材料，有許多是日本公司製造的。以下列出各公司自己的說明，並附上時間點。

壓上模具轉印的方法，稱為奈米壓印微影。設備廠商的全貌，在「半導體設備是什麼？」中有介紹。

常見的誤解

用數字來看

把數字排在一起，就能看出這道製程的困難。每片晶圓要轉印約100次，速度是每小時近300片。而且每一次，都要把和前一層的偏移壓在數nm以下。

深入學習

• 相關文章：「EUV微影是什麼？」（最先進的光與設備）、「蝕刻是什麼？」（用模板削去的製程）、「薄膜沉積是什麼？」（削去前鍍膜的製程）、「矽晶圓是什麼？」（為什麼需要平整的圓板）、「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」（世代名稱與實際尺寸）
• 用表格看差異：「EUV 與 DUV 曝光的差異」、「OPC、相位移光罩、離軸照明的差異」（逼近極限的技術）
• 用數字試試：可以用微影解析度計算器，計算改變波長或數值孔徑時，能轉印的細度會怎麼變。
• 看圖解：微影與蝕刻步驟的圖，收錄在圖解一覽中。