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重點提要
■電晶體的研發走進16奈米世代後，現有的微影技術已不再適用，需要全新的技術。目前競爭中的技術包括極紫外光與電子束，但兩者都有著難以解決的問題，勝負仍未分曉。
■國家奈米元件實驗室研發的「奈米噴印成像技術」，將微影製程縮減到只剩一個步驟，線寬更小，又不需光罩、光阻，極具發展潛力。
「三年內做出16奈米的電晶體。」2008年11月，國家奈米元件實驗室（NDL）剛上任不久的主任楊富量發出這樣的豪語，大多數人的反應都是「不可能吧」，或是直接用「嚴苛」形容這樣的目標，然而楊富量堅持「只要有1%或2%的可能性就去嘗試」，結果證明這是可能的，由NDL的奈米元件廠廠長黃健朝、代工與製程整合組組長陳豪育帶領的團隊，發明了一項創新的微影方法「奈米噴印成像技術」（nano-injection lithography, NIL），只花了一年就成功製作出16奈米的電晶體，並完成真正可運作的靜態隨機存取記憶體（SRAM）。2009年12月9日，該團隊在國際電子元件會議（IEDM）上正式發表論文，引起國際矚目。
16奈米指的是「線寬」的粗細，半導體業界通常用線寬代表電晶體的尺寸，線寬越細，元件就越小，每個晶片上所能儲存的資料量就越大，速度也越快；全世界的半導體研發團隊也都一直致力於縮小線寬，讓摩爾定律「單位面積上的電晶體數目每18個月就會增加一倍」能夠歷久彌堅，而最直接影響線寬的製程稱為「微影」（lithography）。
微影是一種利用光罩、光阻以及特定波長的光源，將設計好的圖樣「轉印」出來的技術（見54頁〈微影製程比一比〉），有點類似光學相機裡底片感光、顯影的過程。為了讓線寬盡量細小，光罩的設計必須非常精細，光源的波長也越短越好，目前已經可量產的電晶體最小線寬為45奈米，是以波長193奈米的深紫外光（DUV）做為微影製程的曝光光源，搭配台積電微製像技術發展處處長林本堅在2004年所發表的「浸潤式微影術」。
浸潤式微影術是以水取代空氣，讓曝光光源在照射到光阻前，必須穿透一層水，利用水的折射率比空氣大的性質，讓光聚焦在更細小的區域，以縮小線寬。在此技術之前，以193奈米的光源可做到的線寬極限為65奈米，而浸潤式微影術將線寬再縮小至45、甚至是22奈米。
然而浸潤式微影術即將在22奈米達到極限，再下一個世代──也就是16奈米的元件──會遇上更嚴峻的挑戰。16奈米之所以如此困難，主要是因為DUV的光源不再適用，傳統的製程因此得大幅改變，而目前正在研發中、可能取代DUV的兩種光源：超紫外光（EUV）與電子束（e-beam），都仍有難以解決的問題，誰勝誰負還在未定之天。
浸潤式的下一步：超紫外光 vs. 電子束
既然光源的波長越小越好，那麼就換成波長更小，只有13.5奈米的超紫外光，是否就可以讓摩爾定律繼續走下去呢？很可惜，這種超紫外光有個極大的缺點，就是任何材料都很容易吸收這個波長的能量。在傳統的曝光過程中，光源必須多次穿過透鏡，才聚焦到晶片上，如果以超紫外光取代光源，幾乎所有的能量都會被透鏡吸收。因此，整個曝光過程都得重新設計，將透鏡一律改為反射鏡，光罩也得改成反射式，然而反射式光罩品質要求極高，表面必須極為平整，甚至材料不能太容易熱脹冷縮。這種光罩製作困難、成本非常高昂，光是使用的特殊材料價格就要傳統光罩的兩倍以上；此外，就算改為反射式，鏡子頂多將2/3的入射光反射出去，整個曝光過程下來，能量仍可能耗損到僅剩不到10%，因此，光源的能量必須很高，黃健朝提了個半導體業界常說的玩笑話：「想改用超紫外光，大概得在工廠旁蓋一座發電廠吧！」
光罩顯然問題重重，因此產生了另一個選項：電子束，它可以聚焦得很小，很適合製作小線寬的元件，更重要的是，電子束是如同畫筆般，將記錄在曝光機裡的圖樣「畫」在光阻上，因此不需要光罩，不但省下光罩的龐大成本，也省下了光罩可能造成的誤差。
誤差是另一項讓製程研發人員頭痛的問題。一般元件可容許10%以內的誤差，例如15奈米的線寬，可容許1.5奈米的誤差，然而製程步驟越繁複，造成誤差的來源就越多，包括光罩、光阻、機台，還有自然發生、無法避免的誤差（random error），合起來不能超過1.5奈米，這相當於不到五個矽原子的寬度。因此，若能將誤差來源直接移除，在製程上的壓力也會減輕許多。
當然電子束並不真的是畫筆，它「畫」的過程其實是讓電子射向光阻，將光阻的鍵結打斷，然而高能量的電子束射入光阻後，卻容易被光阻下的基板散射（稱為「背向散射」），將附近的光阻鍵結也一併打斷，結果常常使原本不該曝光的部份也曝光了，造成線與線分際不明確，甚至是整條線消失的情形。研發人員也試著將電子束能量調低，雖然解決了背向散射的問題，但由於射入光阻的電子能量太弱，容易因打到光阻分子而四處散射（稱為「正向散射」），結果產生的線寬時大時小，極不穩定。
電子束的另一個問題，就是它「畫」得太慢，傳統的光學微影技術是一次曝光一整個圖樣，電子束卻是一筆一劃將圖樣畫出來，速度慢很多。雖然台積電、IBM等公司都正在研究「多重電子束」，也就是一次100條以上的電子束同時運作，然而這麼多電子束的聚焦大小、強度該如何控制得完全一樣、如何避免電子束之間的電磁干擾，都是仍未解決的問題。
【完整內容請見《科學人》2010年第97期3月號】
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