最後更新:2026年10月8日曝光・微影EUV 曝光・微影中國大陸:数值孔径(NA)

數值孔徑(NA)是什麼

NA (Numerical Aperture)

數值孔徑(NA)是表示透鏡可聚集之光線角度範圍的無因次指標,定義為 NA=n×sinθ(n 為介質的折射率,θ 為最大半角)。在微影中是決定解析度的最重要參數,由解析度 R=k₁×λ/NA 的關係可知,NA 越大越能形成微細的圖案。實用值為 ArF 浸潤式 1.35、High-NA EUV 0.55。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

NA(Numerical Aperture:數值孔徑)是表示光學系統(透鏡或物鏡)可聚集之光線角度範圍的無因次指標,在半導體微影(曝光機)中是決定解析度最重要的參數之一。NA 定義為「NA=n×sinθ(n:介質的折射率,θ:最大半角)」。NA 越高,光越能被聚焦得更細,因此能形成更微細的圖案。

解析度與焦深(DOF:Depth of Focus)強烈依賴 NA。由解析度 R=k₁×λ/NA(k₁:製程係數,λ:波長)的公式可知,NA 越高解析度越好。但焦深 DOF=k₂×λ/NA² 與 NA 的 2 次方成反比而急遽下降,因此 NA 越高,晶圓表面的平坦度管理就越嚴格。與 NA=1.35 的 ArFi 浸潤式相比,NA=0.55 的 High-NA EUV 在同樣以波長比較時,有 DOF 變成(0.55/1.35)²≒1/6 的疑慮,晶圓・光罩的平坦度管理成為課題。

NA=1 的障壁與浸潤式曝光:乾式曝光(介質為空氣:n=1.0)在物理上以 NA<1 為極限(因為 sinθ 不可能超過 1)。ArFi 浸潤式曝光將介質換成純水(n=1.44),使 NA=n×sinθ=1.44×sinθ,理論最大可達 NA=1.44。實際上艾司摩爾的 NXT:2100i 已達成 NA=1.35。若使用高折射率液體(n>1.5)可進一步提高 NA,但尚未實用化。

EUV 曝光的 NA:EUV(波長 13.5nm)使用反射光學系統,因此「NA=sinθ(真空中:n=1)」。傳統 EUV(ASML NXE:3600D/3800E)的 NA=0.33,解析度半間距約 13nm(k₁=0.33 時)。High-NA EUV(ASML EXE:5000/5200)將 NA 提高到 0.55,解析度提升至約 8nm 半間距。不過要實現 NA=0.55 需要變形(anamorphic)光學系統(4x×8x 的非對稱縮小),也產生了光罩設計不相容的課題。

與 NA 相關的概念:「σ(同調因子)」表示光源的部分同調性,會影響解析度與 DOF。「OAI(離軸照明)」以 Dipole・Quasar・Annular 等特殊照明形狀降低 k₁,提升有效解析度。曝光機的 NA 與透鏡設計的複雜度和成本直接相關,NA=1.35 的 ArFi 透鏡製造難度極高,由最先進的光學廠商(蔡司(Carl Zeiss)等)獨家供應。

數值孔徑(NA)的常見問題

NA 大有什麼好處?
由於解析度以 R=k₁×λ/NA 表示,NA 越大越能形成細微的圖案。這是因為可以收進更大角度的繞射光,High-NA EUV 將 NA 從 0.33 提高到 0.55 也是這個原因。
增大 NA 的缺點是什麼?
焦深會依 DOF=k₂×λ/NA² 與 NA 的 2 次方成反比而變淺。焦深一淺,即使晶圓平坦度或光阻膜厚只有些微差異也會失焦,因此對平坦化(CMP)與膜厚控制的要求變得更嚴格。此外透鏡會大型化,成本也會上升。
為什麼浸潤式可以讓 NA 超過 1?
因為 NA=n×sinθ 中的 n 是介質的折射率。在空氣中 n≒1,只要 sinθ 小於 1,NA 就無法超過 1;但夾入純水(n=1.44)後 n 變大,NA 就能提高到 1.35。

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