專論》1997年 諾貝爾獎得主朱棣文問我的一道物理題：從藍光光碟到台積電的極紫外光
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從史丹佛大學的一分鐘沉默，到海森堡測不準原理，以及今日台灣的先進半導體製程。
一分鐘的沉默
1997 年，我在美國史丹佛大學攻讀應用物理研究所一年級。
那一年，史丹佛大學物理學教授朱棣文（Steven Chu），因為利用雷射冷卻及捕捉原子的研究，與另外兩位科學家共同獲得諾貝爾物理學獎。
對當時仍是研究生的我而言，能夠有機會走進這位新科諾貝爾獎得主的辦公室，自然是一件令人興奮的事情。
將近三十年過去了，我已經記不起當天談話的所有細節。但朱棣文教授問我的一道問題，我至今仍然記得。
「如果用透鏡將雷射光聚焦，藍色雷射與紅色雷射，哪一種可以聚焦到更小的光點？」
聽起來，這似乎是一道很簡單的物理題。
我當時已經學過電磁學，也學過量子力學。我知道藍光的波長比紅光短，也知道光會產生繞射現象。可是，站在一位剛剛獲得諾貝爾獎的物理學家面前，我一時竟然無法把這些知識連結起來。
我沉默了大約一分鐘。
然後，朱棣文教授開始解釋。令我印象深刻的是，他並沒有從傳統光學的繞射公式開始。
他選擇了一個我原本以為只屬於量子力學的概念：海森堡測不準原理（Heisenberg's Uncertainty Principle）。
這個解釋，竟然讓我記住了將近三十年。
為什麼藍光可以聚焦得比紅光更小？
很多人第一次接觸海森堡測不準原理，是在中學或大學的量子物理課堂。
這個原理告訴我們，一個粒子的位置與動量，其不確定程度不能同時任意縮小：
Δx · Δpₓ ≥ ℏ/2
其中，Δx 代表粒子在 x 方向的位置不確定性，Δpₓ 代表同一方向的動量不確定性，而 ℏ 是約化普朗克常數。
簡單來說，如果我們希望把粒子的位置限制在一個非常狹窄的範圍，就必須容許它的動量具有足夠大的不確定性。
這個原理通常用來解釋電子在原子內的行為。但朱棣文教授當年卻用它來解釋雷射光的聚焦。
首先，我們知道光子的動量與波長有以下關係：
p = h/λ
其中 p 是光子的動量，h 是普朗克常數，λ 是光的波長。
藍光的波長比紅光短，因此藍光光子的動量比紅光光子大。
接下來，想像一束雷射光沿著前方傳播，經過透鏡後，光線從不同角度匯聚到一個焦點。
雖然光主要向前傳播，但聚焦的過程也涉及垂直於傳播方向的動量分量，我們稱之為「橫向動量」。
假設透鏡能夠收集的最大光線角度為 θ，那麼橫向動量的可用變化範圍，大約與以下數值成正比：
Δpₓ ∼ p sin θ
代入光子的動量公式：
Δpₓ ∼ (h/λ) sin θ
現在，關鍵出現了。
在相同的聚焦角度下，藍光因為波長較短、光子動量較大，所以可以具有更大的橫向動量分布範圍。
根據海森堡測不準原理，較大的橫向動量不確定性，容許較小的橫向位置不確定性。
藍光可以具有更大的橫向動量分布，因此能夠被聚焦到比紅光更小的光點。
當然，這並不代表只要增加動量的不確定性，就一定能得到更小的光點。光學系統仍然必須適當控制光波的相位與傳播方向。
但這個原理告訴我們，為什麼較短的波長可以達到更高的空間解析度。
有趣的是，我們也可以完全不使用量子力學，而是透過古典電磁學的繞射理論，得到相同的結論。兩套看似不同的物理理論，竟然在這裡相遇。
從 CD、DVD 到藍光光碟
其實，讀者不必等到台積電的 2 奈米製程，才能在日常生活中看到這個物理原理的應用。
不知道大家是否還記得，當年從 CD、DVD 進步到 Blu-ray Disc（藍光光碟）的年代？
CD 使用波長約 780 奈米的紅外光，DVD 使用約 650 奈米的紅光，而 Blu-ray 則使用約 405 奈米的藍紫光。
為什麼要改用藍紫光？
答案與朱棣文教授當年問我的問題完全相同：因為波長越短，就越有機會將光聚焦到更小的範圍，從而讀取更細密的資料記錄。
當然，藍光光碟容量的提升，也涉及光學鏡頭的數值孔徑、光碟結構及其他工程改良。
從一片可以儲存約 700 MB 的 CD，到 4.7 GB 的單層 DVD，再到 25 GB 的單層藍光光碟，背後竟然也藏著海森堡測不準原理與光學繞射的故事。
而當工程師把這種追求更高光學解析度的思路推向更極端的尺度，我們便來到了今日先進半導體微影技術的世界。
從海森堡到台積電的 2 奈米製程
將近三十年後，每當我讀到台積電先進半導體製程的新聞，特別是 5 奈米、3 奈米，以及 2 奈米製程，我總會想起朱棣文教授當年的問題。
現代半導體製造有一項極為重要的技術，稱為「微影製程」（Photolithography）。
我們可以把它粗略想像成一種極度精密的光學印刷技術。工程師利用光學系統，將電路圖案轉移到晶圓上的感光材料，再透過後續製程，逐步製造出複雜的電晶體與電路結構。
問題是：如果希望製造越來越細小的電路，光學系統究竟能夠分辨多小的圖案？
在微影技術中，有一個常見的瑞利解析度關係式（Rayleigh Resolution Formula）：
CD ≈ k₁λ/NA
其中，CD 代表可印製圖案的關鍵尺寸，λ 是光的波長，NA 是光學系統的數值孔徑，而 k₁ 則與成像及製程技術有關。
讀者不必記住這些符號，只需要注意一件事情：光的波長 λ 出現在分子。
在其他條件相近的情況下，波長越短，就越有機會印製出更精細的圖案。
過去，半導體微影設備曾經廣泛使用 248 奈米及 193 奈米的深紫外光（DUV）。到了今天，先進製程則大量運用波長約為 13.5 奈米的極紫外光（Extreme Ultraviolet，EUV）。
13.5 奈米的波長，比我們肉眼看得見的藍光還要短得多。
當然，EUV 微影設備並不是簡單地把一支雷射筆換成更短波長的版本。實際上，這些設備需要利用高功率雷射轟擊錫液滴，產生能夠發射極紫外光的電漿，再透過極度精密的反射鏡系統，將光導向晶圓。
這是一項集合光學、材料科學、電漿物理、機械工程與精密控制的龐大工程成就。
另外，也需要澄清一個常見的誤解。所謂「2 奈米製程」，並不代表晶片上每一個電晶體結構都只有 2 奈米，也不代表設備使用的是 2 奈米波長的光。
現代半導體製程的命名，主要代表不同技術世代，而不是某一個固定的物理尺寸。
但即使如此，微影技術面臨的基本物理挑戰，仍然沒有改變。
我們希望製造越小的結構，就必須設法取得越高的空間解析度。
而縮短光的波長，正是其中一項重要的方法。這不就是朱棣文教授在 1997 年問我的那一道題目嗎？
原來，測不準原理不只是「測不準」
多年以後，我又逐漸理解了這個問題更深一層的意義。
海森堡測不準原理，並不是單純因為我們的測量儀器不夠精密。它反映的是波動現象本身的一項基本數學特性。
在數學上，這與傅立葉轉換（Fourier Transform）有密切關係。
如果希望把一個波動限制在非常狹窄的空間範圍，就需要結合更廣泛的空間頻率成分。
在量子力學中，動量與波向量之間存在以下關係：
pₓ = ℏkₓ
因此，古典波動理論中的空間分布與波向量分布，便對應到量子力學中的位置與動量不確定性。
我們可以用電磁波來描述雷射聚焦，也可以用光子的動量來理解同一件事情。兩種描述背後，存在著共同的數學結構。
我當年在課本中，分別學過這些物理知識。朱棣文教授卻用一道看似簡單的問題，把它們連結在一起。
一位諾貝爾獎得主，沒有寫下任何公式的物理課
現在回想起來，我特別欣賞朱棣文教授當年解釋問題的方法。
他完全可以使用傳統光學的繞射公式，直接告訴我藍光為什麼可以聚焦得更小。但他沒有這樣做。
他選擇從海森堡測不準原理出發。
這讓我逐漸體會到，學習物理不只是記住多少公式，也不只是能夠解答多少考試題目。
更重要的是，我們能不能在看似毫不相關的現象之間，辨認出相同的物理原理。
一個在量子力學課本裡學到的概念，竟然可以解釋雷射光的聚焦。
而同一個物理洞見，又可以幫助我們理解數十年後，台灣半導體產業所面對的工程挑戰。
這也是基礎科學迷人的地方。
我們很難預測，今天在課堂上學到的一個抽象概念，未來會在哪一個產業、哪一項技術，甚至哪一段人生經歷中，重新出現。
有時候，最珍貴的學習從答不出來開始
當年站在朱棣文教授面前，沉默了一分鐘，對一位年輕的物理研究生而言，實在不是什麼值得炫耀的學術表現。
但將近三十年後，我反而開始珍惜那一分鐘。
因為那一分鐘，讓我意識到自己雖然學過許多物理公式，卻還沒有真正理解它們之間的聯繫。
而朱棣文教授的解釋，讓我得到了一個可以持續使用數十年的思考方法。
今天，當我們談論教育，往往非常重視學生能不能迅速回答問題。
尤其在人工智慧日益普及的年代，幾乎任何知識性問題，都可能在幾秒鐘內得到一個看似完整的答案。
但我想，真正值得培養的能力，也許不只是回答問題的速度。
而是能否從一個問題，看見另一個問題。從一個物理現象，理解另一項科技。從一本教科書裡的抽象公式，發現它與現實世界的關係。
如今，每當我讀到台積電先進製程的新聞，腦海裡偶爾仍會浮現 1997 年史丹佛大學的那間辦公室。
我記得一位答不出問題的年輕研究生。
也記得一位剛剛獲得諾貝爾獎的物理學家，耐心地向他解釋光子的橫向動量不確定性。
那場談話只有短短幾分鐘，但其中的物理道理，卻陪伴了我將近三十年。
有時候，最難忘的一堂課，正是從我們答不出來的那一道題目開始。
註：本文根據筆者 1997 年在史丹佛大學與朱棣文教授見面的個人回憶撰寫。文中的物理推導與半導體製程說明，為方便今日讀者理解而補充。
作者：數位楠，曾經是一個被電腦科學分心的物理學生，如今仍在尋找：在 AI 時代，人之所以為人的核心是什麼。