從過去半導體的65奈米世代,到現在您常聽到的20奈米、16奈米,指的都是晶片上電路圖的「線寬」。奈米是一種長度的單位,一百奈米大約是頭髮直徑的六百分之一,由此您可以想像,16奈米的線寬有多細。您可以把它想成導電的電線,線寬愈細,做出來的電子元件就愈精密。這麼精密的元件,需要靠先進的「微影」技術來製造,寫法是微小的微、投影的影。 微影技術到底是什麼呢?中央研究院院士、台積電研發副總林本堅,為聽眾朋友做了簡單的解釋: 我們所謂「微影」是把一個光罩,上面一些電路的圖形,給它縮小印在晶片上。這究竟是有多小呢?那個時候,我們在做65奈米世代的時候,假使你把網球的絨毛切出來,那個截面積上面可以放3200個電晶體。 「微影」的原理是透過曝光,把電路的圖形縮小印在晶片上,可以用傳統的照片沖印來比喻,光罩就像是底片,晶片就像是相紙。不難想像,光源的波長愈短,就可以曝光印出更精密的電路,從1960年代的白光、1970年代的紫外光、到1980年代後期的“深紫外光”,波長愈來愈短。在深紫外光的世代,開始出現光源波長為248奈米的微影設備,後來又進展到193奈米。

聽到這裡您可能會覺得奇怪,光源的波長既然是193奈米,怎麼做出的是65奈米線寬呢?的確,早期科學家認為這是不可能的,半導體的線寬不可能小於光源的波長,但在1980年代初期,IBM的聖荷西實驗室裡,雷文生博士卻提出了魔術般的解決方案,稱為「雷文生光罩」。 簡單地說,當線寬的尺寸小於光源的波長,還是可以做微影,只是光的繞射現象會造成電路圖的變形。而雷文生的做法,就是利用光罩改變光波的相位,來彌補繞射現象造成的誤差。同時,我們可以計算繞射現象造成的變形,並加以修正。換句話說,我們可以在光罩上畫出特別的圖案,使繞射的結果正好在矽晶圓上印出我們想要的圖案。 舉個簡單的例子,在某個特定的波長跟線寬條件下,如果光罩上的圖案是個長方形,光的繞射現象,會讓投射在矽晶圓上的圖案變形,把四個角都大幅度地變圓,形狀有點像是牛舌餅。但是經過精密的計算,把光罩上的圖案畫成類似狗骨頭的形狀,那麼投射在矽晶圓上就會正好是個長方形。透過這些技術,及光學元件的配合,我們可以讓線寬縮小到光源波長的三分之一左右,所以,以波長193奈米的光源來說,最小就可以做到65奈米的線寬。 IBM似乎不太重視雷文生博士的發明,相關技術後來由荷蘭的艾司摩爾、日本的Nikon、Canon等公司繼續發展。Intel曾讚揚說:雷文生的技術讓他們生產了超過10億個晶片,而Intel所採用的,就是由艾司摩爾所生產的微影設備。

您或許會問,直接用更短波長的光做微影不就行了?可惜沒有這麼簡單,要把微影設備光源的波長縮短,所有相關的基礎設施都得更改。新的光源、鏡片、光罩、光阻等等,都要一一開發並且量產,成本非常高,還未必做得出來。因此過去多年,半導體產業一直使用波長193奈米的光源來進行量產,並發展出浸潤式微影等技術,來生產比65奈米世代更精密的晶片。 當然,最新的技術也不斷地發展,2012年艾司摩爾便獲得Intel、台積電和三星的投資,共同發展最新的EUV極紫外光微影技術。