6.1 157nm 乾式光刻的物理死局：全球設備巨頭耗資數十億美元卡死在氟化鈣鏡片缺陷中#

光刻的波長定律#

微影解析度的經典公式（Rayleigh 式）：

• \(\lambda\)：曝光光源波長；
• \(NA\)：光學系統數值孔徑；
• \(k_1\)：工藝常數（實際極限約 0.27）。

縮小 CD 的路徑只有三條：縮短波長、提升 NA、壓低 \(k_1\)。

從 436nm 走到 248nm 再到 193nm#

光源每次變短，光學材料（透鏡、mask、光阻）就全部要重換一次——每一次換波長就是新一輪數十億美元的研發投資，不僅設備廠，材料廠（光阻、玻璃）也要重練。

157nm：F2 準分子雷射的戰場#

1999 年前後，130nm 以下節點的需求迫使產業考慮下一個波長：

• 157nm（F2 準分子雷射）是當時計畫中的主流選擇；
• 致命問題：157nm 的光被絕大多數物質強烈吸收——玻璃、石英、空氣、甚至水；能大致透光的只有氟化鈣（CaF2）。

於是產業投入了一場巨大賭注#

• Nikon、Canon、SVG（美國）、ASML 幾乎家家投入 157nm 機器的樣機研發；
• Intel、IBM 等大客戶制定了轉向 157nm 的時程表；
• 石英與玻璃廠（如 Heraeus）、光阻廠（JSR、信越化學）相繼開闢「157nm 材料線」——累計投資以數十億美元計。

157nm 的三大死局#

1. CaF2 鏡片的物理缺陷#

• CaF2 是結晶材料，像差校正比無定形玻璃難上幾個量級；
• 晶體的雙折射（birefringence）會讓偏振光走歪，在高 NA 成像下直接導致成像失真；
• 大直徑、高純度、零缺陷的 CaF2 鏡坯無法穩定供應——量產的前景把這條路逼死。

2. 光罩（mask 與保護膜問題#

157nm 的光罩保護膜（pellicle）找不到合適的材料——高溫與輻照下會降解，157nm 量產因此缺了一條腿。

3. 真空化與稀有氣體的環境#

• 光路中極痕量的水蒸氣就會吸收 157nm——光路須全氮氣（N2）吹掃，成本可怕；
• 機台接近真空的特徵與 EUV 愈來愈像——於是有人問：「投資與 EUV 相差不大的話，為何不直接走 EUV？」

結局：2003 年方向的掉頭#

2002–2003 年，Sematech 與台積電的林本堅（下節）提出並驗證：

• 193nm 浸潤式（immersion）可以延展至 45nm 以下，不需要 157nm；
• 整個產業迅速掉頭：157nm 研發相繼中止，已投入的數十億美元成為半導體史上最著名的沉沒成本之一；
• Nikon 等少數公司一度仍押 157nm，最後也在 2005–2006 年前後放棄。

小結#

157nm 是半導體史上最大的一次「方向投資落空」。其失敗的技術根源（CaF2 雙折射、pellicle、水吸收），恰好構成「浸潤式」構想啟動的土壤——下一節，舞台換到台灣，一位帶著「何不加水？」的工程師改寫了全球微影的主板。