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科技史 / 圖解觀點

光刻機的歷史：從早期曝光到 EUV，人類如何縮小晶片？

從感光膠、步進曝光到浸潤式 DUV、EUV 與 High-NA，以歷史時間軸與圖解，看懂晶片微縮背後的光學與工程。

發布日期：

杜勒版畫風格參考的光學與晶圓原創概念插畫

ARTIST REFERENCE / 畫家介紹

阿爾布雷希特・杜勒

Albrecht Dürer

銅版雕刻、木刻與細密線描

杜勒（1471–1528）出生於德國紐倫堡，是文藝復興時期的畫家與版畫家。以精細線條、交叉排線、比例研究及對自然形體的觀察著稱，代表作品包括《犀牛》與《憂鬱 I》。

風格參考・原創概念圖，非畫家本人作品。生平來源

光刻機在做什麼？先把圖案留下來

手機裡的晶片看起來只是一小片材料，內部卻容納大量電晶體與連線。讓這些結構能被一層層製造的關鍵設備之一，就是光刻機，也常稱為微影或曝光設備。它的歷史，既是追求更小圖案的光學史，也是讓精密實驗走向穩定量產的工程史。

先記住一個核心觀念：光刻機把設計圖案轉移到感光材料，後續再由蝕刻、沉積等製程形成結構。它不是拿一道雷射，直接把整顆晶片雕刻出來。

折射式投影曝光概念：光源經光罩與透鏡，將圖案投影至晶圓感光膠
圖 1｜以折射式投影曝光說明圖案轉移。概念圖未按比例，EUV 則採反射光學。 點圖可開啟完整尺寸。

晶圓表面先塗上感光膠；曝光使指定區域的材料性質改變，顯影後留下開口或保護圖案。以下以正型感光膠為例，受光部分較容易被顯影液移除。之後的蝕刻才把圖案轉移到下方材料；不同製程也可能採用其他轉移方式。

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正型感光膠流程：塗佈、曝光、顯影、蝕刻
圖 2｜一層圖案的簡化製作過程。實際晶片要反覆處理許多層，並精確對準。 點圖可開啟完整尺寸。

從照相技術到晶片工廠

1950 年代，研究者把照相製版的方法帶進半導體製造。1955 年，貝爾實驗室的 Jules Andrus 與 Walter Bond 將光微影應用於矽元件；1958 年，Fairchild 的 Jay Last 與 Robert Noyce 發展步進重複相機，協助製作光罩。這裡的光罩製作設備，不能與後來直接對晶圓曝光的步進機混為一談。

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早期接觸式曝光讓光罩靠近或貼住晶圓，概念直接，卻必須面對接觸造成的污染、損傷與缺陷。投影曝光把光罩與晶圓分開，利用光學系統成像；縮小投影與精密移動平台，逐步成為後續發展的重要方向。

步進機每次曝光一個區域，再移動晶圓到下一格；掃描機則讓光罩與晶圓在曝光時協調移動。重點不只是把圖案縮小，還要讓它在每個位置、每一層，都能準確落在預定座標。

這段歷史有美國設備商與研究機構，也有日本 Canon、Nikon，以及歐洲的 ASML、ZEISS 等參與者。不同世代的設備沿著光學、運動控制、光源與材料各自推進，並非單一公司突然完成的發明。

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實際 Autostep i-line 步進曝光設備照片
圖 3｜Autostep i-line 步進曝光設備，攝於 2012 年；拍攝年份並非機型發明年份，也不是 EUV 設備。攝影：a13ean，Wikimedia Commons，CC BY-SA 3.0；原檔未修改。 點圖可開啟完整尺寸。

一條時間軸，看懂七十年的轉變

把「研究成功」「設備出貨」和「穩定量產」分開看，才能理解技術真正花了多久走進工廠。

  1. 1955

    光微影進入矽元件製造

    貝爾實驗室將照相製版技術用於矽元件，奠定圖案轉移的基礎。[1]

  2. 1970

    日本商用設備發展

    Canon 推出 PPC-1；這是日本首台半導體曝光設備，並非世界首台。[2]

  3. 1980

    Nikon 商用步進機

    NSR-1010G 發表並出貨，步進曝光進入產業競爭的重要階段。[3]

  4. 1984

    ASML 成立

    Philips 與 ASMI 合資成立 ASML，早期機型為 PAS 2000。[4]

  5. 2003–2006

    浸潤式設備走向生產

    2003 年推出早期浸潤式 TWINSCAN，後續持續改善並發展量產設備。[4]

  6. 2010

    EUV 原型系統出貨

    首台 NXE:3100 原型系統交付研究客戶；原型交付不等於已普遍量產。[4]

  7. 2019

    EUV 用於商用晶片量產

    EUV 跨過商用量產的重要門檻，與既有 DUV 設備共同服務不同圖層。[9]

  8. 2023 年底

    首套 High-NA 模組出貨

    首套 High-NA EUV 系統模組運往 Intel；模組出貨仍需與後續驗證、量產採用區分。[10]

波長不變，也能繼續微縮？

微影解析能力與光源波長、數值孔徑（NA），以及製程方法有關。波長較短通常有利於描繪細節；NA 則描述光學系統收集光線的能力。工程師因此不只更換光源，也持續改善鏡頭、照明、光罩與製程控制。

常見光源依序包括汞燈 i-line 的 365 奈米，以及深紫外光 DUV 的 KrF 248 奈米、ArF 193 奈米。i-line 不宜與這裡的 DUV 混稱。這些數字是光源波長，並不是晶片名稱裡的「幾奈米製程」。

[6] [11]
乾式與浸潤式曝光比較：同為 193 奈米，後者在末端鏡片與晶圓間加入水層
圖 4｜浸潤式曝光是在受控間隙中引入水，提高可達數值孔徑；不是把整台設備泡進水裡。 點圖可開啟完整尺寸。

浸潤式曝光在末端光學元件與晶圓之間引入水，在仍使用 ArF 193 奈米光源的條件下，提高可達的 NA，延續微縮能力。水的純度、氣泡與流動控制，則成為新的工程工作。

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另一條路是多重圖案化：把複雜圖案分拆，以多次圖案轉移等步驟完成更細密結構。它能延續既有技術，代價是流程變長、對準更難，成本與缺陷控制也更複雜。微縮從來不是只換一顆更強的燈。

EUV：換的不只是光源

EUV 使用約 13.5 奈米的極紫外光。相較 DUV，這不是把原本透鏡原封不動留下、只換燈泡：EUV 容易被空氣與許多材料吸收，必須在真空環境中傳輸，並依靠多層膜反射鏡及反射式光罩處理光路。

[6] [11]
DUV 透射式與 EUV 反射式光學的簡化比較
圖 5｜以 ArF DUV 與 EUV 說明光路差異。只呈現工作概念，反射鏡數量與位置不代表特定機型。 點圖可開啟完整尺寸。

讓 EUV 走出實驗室，還需要足夠的光源功率、精密反射鏡、可用的感光膠、光罩缺陷控制，以及整套系統的可靠度。以錫滴產生電漿的光源，也要把需要的 EUV 光收集並送往曝光系統；每一段損耗都會影響生產效率。

EUV 的產業化建立在歐洲、美國、日本等地長期研究與供應鏈合作之上。從可運作的原型到能在工廠長時間使用，中間還有生產速度、維護與良率要跨越。2010 年原型出貨與 2019 年商用量產，代表的是不同門檻。

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EUV 也沒有讓 DUV 消失。晶片不同圖層的精細程度不同，工廠會依需求與成本選擇曝光方式。理解整座晶圓廠的設備組合，比把它想成「新機全面取代舊機」更接近實際。

High-NA 之後，難題仍是整個系統

High-NA EUV 將 NA 從既有 EUV 的 0.33 提高至 0.55，以提升解析能力。但更高 NA 也伴隨景深、光學設計與製程控制的新挑戰。2023 年底首套模組出貨，是設備發展的里程碑，不能單憑這個日期就認定所有晶圓廠已導入量產。

[10]

光刻機真正困難的地方，是把光源、光罩、感光膠、鏡面與高速平台整合起來，讓一個圖案不只成功一次，而是在大量晶圓、許多圖層上持續準確重現。

因此，這段歷史的主角不只是更短的光，更是測量、控制、材料與協作。下一次看到「幾奈米晶片」或新一代曝光機新聞，可以先問三件事：它改善了哪個環節？目前是研究、交付還是量產？又用了什麼成本換取更小的圖案？

延伸閱讀與圖片來源

  1. Computer History Museum：光微影的早期發展 ↗
  2. Canon：半導體曝光設備五十年 ↗
  3. Nikon：半導體曝光設備歷史 ↗
  4. ASML：公司與設備發展史 ↗
  5. ASML：曝光與晶片製造步驟 ↗
  6. ASML：透鏡、反射鏡與數值孔徑 ↗
  7. ASML：浸潤式微影的發展 ↗
  8. ASML：EUV 從實驗室到晶圓廠 ↗
  9. ASML：2019 年 EUV 量產里程碑 ↗
  10. ASML：High-NA EUV 的五件事 ↗
  11. ASML：光源與雷射 ↗
  12. ZEISS：半導體微影光學歷史 ↗
  13. The Met：Albrecht Dürer 生平與版畫 ↗

本文技術圖解為原創概念示意，未按比例；設備照片授權與攝影者標示於圖下。封面為杜勒版畫風格參考的原創插畫，非歷史設備照片、特定機型示意或杜勒原作。

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