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。