一把斧頭能夠劈出比自己的鋒刃還要窄的柴嗎？193奈(納)米波長的光束能夠切割出7奈米的線寬嗎？
當拜登總統聽到中芯國際居然能夠用成熟製程的DUV(deep ultraviolet)光刻機，生產出先進制程的7奈米芯片，因擔心可能用在國防和軍事上，立刻決定對中國做出更苛刻的半導體生產工具出口限制，甚至徹出所有本國人才。這決策對未來全球經濟的巨大影響暫且不談，咱們且來看看這麼寬的波長，怎麼能切出這麼窄的線距。
首先要知道，半導體製程的7奈米，指的是最近的半綫距(half pitch)，所以最小綫寬其實是7×2=14奈米。而193奈米的深紫外光束，它能夠切割的最小寬度，根據光學原理是其半波長，也就是約96奈米。換句話說，它可用來直接切割96/2=約45奈米的製程。這離7奈米至少還有6倍的距離，它是怎麼辦得到的？
問題的答案其實是在塗在晶圓上的光刻膠(photoresist)。由於光刻膠在光波的波峰處溶解最多，在其他地方溶解較少，利用這個差異的特性，原來的光束可以在近波峰處，切割到比半波長更短一倍的線寬，而達到1/2寬奈米的製程(見左圖，來自EDN Taiwan)。
工程師發現了這個特性之後，很快的就聯想到用多重曝光的方式，將曝光部位移動1/2線寬再曝一次，達到1/4寬奈米的製程。再配合其他如沉浸式光刻(immersive lithography)，利用水的折射係數提高精准度，就可能達到7奈米。
這個辦法說來簡單，其實有非常大的挑戰，因為必須要剛好在1/2綫寬的位置上再曝光一次，校準的問題不好處理。可敬的工程師們不眠不休，又開發出了一個用側牆轉移(side wall transfer)的自我校準方法，讓線間自行對齊，解決了校準位置的問題(見右圖，來自Wikipedia)。
在昂貴的EUV(Extreme Ultraviolet)光刻機大量使用以前，其實連早期TSMC的7奈米製程，也曾經使用這種DUV+多重曝光方式，換句話說，中芯國際的7奈米製程並非首創。然而比起用先進製程的EUV，由於必須多重曝光，又要克服校準的問題，所以良率會比較低。
EUV光刻機的波長是14奈米，如果193奈米的光刻機，經由工程師們的創意和努力，都可以刻出14奈米的線寬，那麼具備14奈米的波長的光刻機，它的未來當然可以期待。值得一提的是，EUV光刻機雖然先進，但是因為價格非常高，從成本效益觀點，DUV光刻機的需求，在7奈米以上的成熟製程，還是很大量的。
美國政府由於擔心全世界的先進半導體供應鏈，因為地緣政治的關係遭到破壞，所以要TSMC在亞利桑那州蓋5/3奈米廠。在全世界半導體生產的供應鏈上，臺灣提供的不是軟體，不是機台，也不是材料。我們提供的是高品質，肯吃苦耐勞的工程師。
所以對美國政府來說，臺灣最美的風景是人，尤其是不眠不休，鞠躬盡瘁的工程師。
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作者：陳少君
經歷：
在矽谷創業20年，後因照顧父母回國服務。
曾任長鑫存儲CIO/VP
曾任資策會數教所資深總監
曾任台灣佳能資深技術總監
曾任浩鑫資深技術總監