科技觀點 / 精密光學

晶片越做越小,鏡子卻越做越大:ZEISS 最獨特的光學技術

從多層膜反射、超精密鏡面加工到量測與 High-NA,以三張圖解認識 ZEISS 如何協助 ASML 把更細的晶片圖案投影到晶圓。

發布日期:

透納風格參考的光學工坊原創概念插畫

ARTIST REFERENCE / 畫家介紹

約瑟夫・馬洛德・威廉・透納

J. M. W. Turner

光線、色彩與大氣感的風景畫

透納(1775–1851)是英國風景畫家,以油畫與水彩描繪海景、風暴與自然光影。他逐漸以明亮色彩和鬆動筆觸表現光與空氣,被稱為「光的畫家」。

風格參考・原創概念圖,非畫家本人作品。生平來源

為什麼晶片越小,鏡子反而越大?

如果把晶片製造想成縮小印刷,直覺上,零件似乎也應該跟著變小。但 High-NA EUV 的發展呈現另一個方向:為了呈現更細的圖案,光學系統要處理更大的光線角度範圍,鏡面與整套設備反而變得更大。

若從半導體製造切入,ZEISS 最值得深入理解的技術,是一整套超精密反射光學:鏡面如何形成、如何鍍膜、如何量測,以及工作時如何保持正確位置。這些能力共同支持 ASML 的 EUV 曝光系統。

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本文從三個問題開始:EUV 為什麼需要特殊鏡子?做好的鏡子要怎麼驗證?High-NA 又改變了什麼?

第一個難題:EUV 不能照搬一般鏡頭

極紫外光 EUV 的波長約為 13.5 奈米,容易被空氣和許多材料吸收。一般可見光鏡頭讓光穿過玻璃的方式,在這裡無法直接照用。因此 EUV 曝光採取真空環境與反射光學,讓光經過鏡面引導與成像。

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整個光學系統有不同任務:照明光學將光整理並送往光罩,投影光學再把光罩圖案成像到晶圓。本文談的「鏡子」,指的是這些經過設計的光學元件,不是日常玻璃背後鍍一層金屬的家用鏡子。

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多層膜:讓反射波在正確條件下相加

ZEISS 的 EUV 鏡面使用交替的矽與鉬薄層。各層介面產生的反射波,在特定波長與角度條件下相互疊加,形成建設性干涉,提升可用的反射強度。層厚與堆疊品質因此成為重要的製造條件。

矽與鉬交替薄層,以及不同介面反射波疊加的概念
多層膜反射概念。圖中只畫部分薄層;箭頭不是精確的電磁場模擬。 點圖可開啟完整尺寸。

可以把它想成許多微弱回應,在時間與相位條件合適時共同作用。這個比喻幫助理解疊加,但實際反射效率仍與材料吸收、波長、角度和鍍膜設計有關,並不是增加層數就能無限制提高。

反射也不是百分之百無損。光經過一面又一面鏡子,可用能量會逐步減少,因此鍍膜效率與整套光路設計都會影響曝光系統。

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鏡面加工:平滑之外,還要符合設計曲面

「超精密鏡面」容易被理解成一塊極平的板子,但 EUV 光學使用曲面鏡來處理光路。要控制的既有局部表面品質,也有整體曲面形狀;鏡面應該符合設計,而不是一律磨成平面。

極小的不規則或形狀偏差,都可能影響成像。鍍膜之下的基材、加工結果,以及成膜後的狀態,必須放在一起考量。精密光學的要求,從設計開始就一路延伸到製造與驗證。

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設計曲面與誇張放大的表面偏差比較,搭配量測、加工、再量測流程
鏡面偏差示意,誤差已刻意放大;非 ZEISS 實測數據。 點圖可開啟完整尺寸。

最不容易看見的本領:量測設備也要自己推進

當加工精度提高,問題會變成:用什麼儀器確認結果?High-NA 的更大鏡面與曲率要求,也把量測推到更嚴格的條件。ZEISS 因此同步發展專用量測系統,在製造過程中多次檢查鏡面。

這是一個反覆循環:量測偏差、修正加工,再重新驗證。把量測視為最後的驗收程序,會低估它在製造中扮演的角色。沒有可信的量測,就難以知道下一次修正是否真的改善。

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設備運轉後還有另一種問題:曝光帶來的熱效應會改變光學系統。ASML 的光學介紹說明,量測與致動器可用來補償這些變化。加工時做得準,與使用時維持準,是相互銜接的工作。

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High-NA:波長沒變,光學設計卻改了

既有 EUV 的數值孔徑 NA 為 0.33,High-NA 提高至 0.55,兩者仍使用約 13.5 奈米的光。NA 描述光學系統可利用的角度範圍;在其他條件相當時,更高 NA 有利於分辨更細的圖案。

相同波長下,NA 0.33 與 0.55 的晶圓側光線角度範圍比較
以真空中的光錐說明 NA,非實際反射鏡配置;圖中未呈現整套投影光學。 點圖可開啟完整尺寸。

為了處理更大的角度範圍,High-NA 需要新的光學設計與更大的鏡面。這就是標題裡「晶片變小、鏡子變大」的原因:設備尺寸並不直接等於最後製造出的圖案尺寸。

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新設計也有取捨。ASML 的 EXE 系統使用兩個方向不同縮小倍率的變形光學,曝光視場面積為 NXE 系統的一半;生產流程必須與掃描平台、光罩及製程一起配合。High-NA 的價值應放在整體製造條件下理解,不能只看單一規格。

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同樣要分清楚:13.5 奈米是光源波長,0.55 是數值孔徑,晶片名稱中的「幾奈米」則是製程節點名稱。這三種數字描述的不是同一件事。

從光學工坊,到長期累積的系統能力

ZEISS 的起點可追溯到 1846 年耶拿的精密機械與光學工坊。Carl Zeiss、Ernst Abbe 與 Otto Schott 所代表的製造、光學理論與材料研究,提供了一條理解公司技術發展的歷史線索。

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EUV 則是更晚近、跨越數十年的研究與合作成果。ZEISS 的回顧把 1995 年的一場工作坊列為重要起點之一;後續要讓光學系統進入晶片製造,還必須與 ASML、研究機構及供應鏈共同推進。

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因此,若要說 ZEISS 在這個領域最獨特的地方,我們的觀察是:它把反射光學、鍍膜、加工、量測與穩定控制連成一套能力。讀者看到的是一面鏡子,背後卻是許多必須一起成立的工程條件。

資料來源

  1. ZEISS:EUV 微影光學與多層膜 ↗
  2. ASML:透鏡、反射鏡與主動調整 ↗
  3. ZEISS:High-NA 光學與量測 ↗
  4. ZEISS:2024 年 High-NA 技術介紹 ↗
  5. ASML:High-NA EUV 的五件事 ↗
  6. ZEISS:EUV 光學三十年 ↗
  7. ZEISS:光學發展歷史 ↗
  8. 英國國家美術館:J. M. W. Turner ↗
  9. ZEISS:EUV 光路如何運作 ↗