為何半導體非走到 13.5 nm 不可
當 ArF 浸潤式微影（193 nm 波長）在 16/14 nm 節點之後必須仰賴愈來愈複雜的多重曝光，每多一次曝光就意味著多一張光罩、多一次疊對誤差累積、多一筆成本。把 $CD = k_1\lambda/\mathrm{NA}$ 攤開來看，最根本的解法只有一個——把波長 $\lambda$ 一次砍掉一個數量級。EUV（extreme ultraviolet，極紫外光）波長 13.5 nm，相較 193 nm 縮短約 14 倍，讓單次曝光就能刻出 13 nm 以下的密集圖案，徹底擺脫多重曝光的疊對地獄。
但 13.5 nm 不是隨意選的——它對應矽光譜中 6.x 區的特定發射線，且能與 Mo/Si 多層膜反射鏡的反射峰匹配。這個波長的選擇，註定了 EUV 是一場橫跨光源、光學、真空、材料的系統性工程奇蹟。
13.5 nm 為何只能用反射光學
EUV 最反直覺的特性是：幾乎所有材料都會吸收它。13.5 nm 的光子能量約 92 eV，能量高到足以被任何透鏡玻璃、甚至空氣吸收。這帶來三個顛覆性後果：
- 不能用穿透式透鏡：傳統 DUV 的折射鏡頭完全失效，EUV 全程改用反射式光學。
- 必須在真空中運作：連空氣都會吸光，整個光路（光源到晶圓）都要抽到高真空。
- 反射鏡要用多層膜：單一表面對 13.5 nm 反射率極低，需用 Mo/Si 交替的 40～50 對多層膜，靠布拉格干涉把反射率拉到約 70%。
問題在於：每面鏡子只反射約 70%。一套 EUV 投影系統有 6～7 面反射鏡，加上光罩本身也是反射式，串接下來總穿透率只剩 0.7 的數次方 ≈ 個位數百分比。這意味著光源端必須產生極高功率，才能讓足夠的光子抵達晶圓——這正是 EUV 量產延宕十餘年的核心瓶頸。
LPP 光源：每秒五萬次的錫液滴爆炸
商用 EUV 採用雷射激發電漿（LPP，laser-produced plasma）光源，其運作堪稱工業奇觀：
- 一個錫（Sn）液滴產生器以每秒約 50,000 次的頻率噴出直徑約 25 μm 的熔融錫滴
- 高功率 CO₂ 雷射先發一道「預脈衝」把錫滴壓扁成餅狀
- 再發「主脈衝」擊中，把錫加熱到約 20～40 eV 的高溫電漿（相當於數十萬度）
- 電漿中的高價錫離子（Sn⁹⁺～Sn¹⁴⁺）退激發時輻射出 13.5 nm 的光
關鍵指標是轉換效率（CE，conversion efficiency），即 CO₂ 雷射能量轉成 13.5 nm 有用光的比例，目前約 5～6%。為了在晶圓面達到量產所需的 250 W 以上光源功率，CO₂ 雷射的輸入功率必須達數十千瓦。產生的 13.5 nm 光由一面巨大的收集鏡（collector）收集，但收集鏡會被飛濺的錫污染，是耗材維護的痛點。
| 光源指標 | 數值 |
|---|---|
| 波長 | 13.5 nm |
| 錫滴頻率 | ~50,000 Hz |
| 電漿溫度 | ~20～40 eV |
| 轉換效率 CE | ~5～6% |
| 量產光源功率 | ≥ 250 W |
反射式光罩與護膜的難題
EUV 光罩與 DUV 截然不同。它是在低熱膨脹基板上鍍 Mo/Si 多層膜作反射鏡，再於其上鋪 TaBN 吸收層定義圖案。光以約 6° 斜入射（因為反射式無法垂直照明），這個斜角帶來「陰影效應」（mask shadowing），需在 OPC 中補償。
護膜（pellicle）在 EUV 下尤其棘手：它要懸在光罩上方擋落塵，又必須對 13.5 nm 高穿透（目標 >90%）、能承受高功率光與熱、且極薄（數十 nm 的多晶矽或碳奈米管薄膜）。早期 EUV 因找不到合格 pellicle 而裸跑光罩，靠超潔淨環境降低落塵風險。
隨機缺陷：EUV 的統計學詛咒
EUV 帶來一個 DUV 時代不顯著的問題——隨機缺陷（stochastic defects）。在 13.5 nm 尺度下，單位面積落入的光子數與光阻中的光酸分子數都變得很少，統計漲落（泊松雜訊）導致：
- 隨機的斷線（broken line）或橋接（bridging）
- 接觸孔的隨機漏失（missing contact）
這是物理本質的隨機性，無法靠平均化消除，只能透過提高劑量（dose）（但會降低產能）、改良光阻（如金屬氧化物光阻 MOR）、或設計容差來折衷。劑量與隨機缺陷率的RLS 三角（resolution-LWR-sensitivity）是 EUV 光阻設計的核心權衡：解析度、線寬粗糙度、靈敏度三者不可兼得。
為何只有一家設備商
全球能量產 EUV 機台的只有荷蘭 ASML 一家。這不是偶然，而是長達二十年、跨數百家供應商的整合壟斷：
- 光源來自 ASML 併購的 Cymer
- 光學系統由德國 蔡司（Zeiss）獨家供應，其反射鏡平整度達原子級（若放大到德國國土面積，起伏不超過 1 mm）
- 數萬個零組件橫跨數十國供應鏈
這種「贏者全拿」的格局，使 EUV 成為地緣政治的核心——一台機器牽動全球先進製程的命脈。台積電、三星、英特爾都得排隊向 ASML 採購，而出口管制更讓 EUV 成為大國科技角力的籌碼。
量產現況與下一步
EUV 自 2019 年起在 7 nm／5 nm 節點導入，到 3 nm 已成主力，單一晶圓的 EUV 層數持續增加。下一步是 High-NA EUV（NA 從 0.33 提升到 0.55），透過變形光學進一步逼近 2 nm 以下節點。EUV 從一個被質疑「永遠不會量產」的夢想，到今日撐起所有 AI 晶片的製造，是半導體史上最艱難也最輝煌的工程勝利之一。
延伸閱讀：〈High-NA EUV：下一世代微影〉、〈微影機台與 ASML 的壟斷〉。