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光刻

Wikipedia · 2026-08-03 维基百科 👁 0 阅读

是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光阻层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。这里所说的衬底不仅包含矽晶圓，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS中的蓝宝石。

该工艺首先将一种称为光刻胶（光阻）的光敏材料涂覆在基底上。然后，将包含所需图案的光罩放置在光刻胶上。光线穿过光掩模照射，使光刻胶的特定区域曝光。曝光区域发生化学变化，使其可以或不可以在显影液中溶解（正/负光阻）。显影后，通过蚀刻、化学气相沉积、物理气相沉积、电镀或离子注入等工艺将图案转移到样品上。

“光刻”一词由古希腊语词根“光”（）、“石头”（）和“书写”（）组合而成，字面意为“用光在石上书写”。该工艺在1950年代被引入半导体制造，随后成为集成电路产业的核心技术。

光刻工艺可根据所用光的类型分类，包括紫外光刻、深紫外光刻、极紫外光刻（EUVL）和。所用光的波长决定了光刻胶上可形成的最小特征尺寸。常用紫外线（UV）。

光刻技术是集成电路（“IC”或“芯片”，例如固态存储器和微处理器）半导体器件制造中最常用的方法。它可以制造尺寸小至几纳米的极小图案，并能精确控制所制造物体的形状和尺寸。它能够一步完成整个晶圆上的图案制作，速度快，成本相对较低。在复杂的集成电路中，一个晶圆可能需要经历多达50次的光刻循环。它也是微加工领域（例如微机电系统制造）的一项重要技术。然而，光刻技术不能用于在非完全平整的表面上制作掩模。而且，与所有芯片制造工艺一样，它需要极其洁净的操作环境。

光刻技术是微光刻技术（）的一个子类，微光刻技术是生成图案化薄膜工艺的总称。该大类技术还包括可控电子束光刻技术，以及较少见的纳米压印、、或技术。从更广泛的层面来看，它可与微纳结构的技术竞争。

光刻技术与摄影术有一些共同的基本原理，即通过曝光光刻胶来形成图案——曝光方式可以是直接通过透镜投影，也可以是像接触式印相那样，照射直接覆盖在基材上的掩模。这项技术也可以被视为印刷电路板制造方法的高精度版本。其名称源于与传统摄影制版工艺的粗略类比，即在纸上制作用于平版印刷的印版；1954年，路易斯·普兰贝克（）开发出Dycryl聚合物凸版印刷版，加快了制版速度。过去，光刻胶的显影是将晶圆批量浸入显影液中进行显影（批量处理），但现代工艺采用单晶圆显影（单晶圆处理），以提高工艺控制。

1957年，朱尔斯·安德鲁斯（）在贝尔实验室工作期间，获得了半导体制造的光刻工艺专利。与此同时，美国陆军通信兵团的莫·阿布拉姆森（）和斯坦尼斯劳斯·丹科（）开发了一种印刷电路的技术。受光刻胶应用（用作标记金属飞机机翼铆钉孔边界的光敏液体）的启发，纳尔认为类似的工艺可以用来保护晶体管中的锗，甚至可以用光在晶体管表面形成图案。在研发过程中，拉思罗普和纳尔成功地利用这项技术制造出了一种二维小型化混合集成电路。

尽管电子元件的光刻技术涉及的是蚀刻金属副本，而不是像平版印刷（）那样蚀刻石版来制作“母版”，但拉思罗普和纳尔选择使用“光刻”而非“光蚀刻”一词，是因为前者听起来更“高科技”。光刻技术后来对第一批半导体集成电路和第一批微芯片的开发做出了贡献。光阻不仅需要对指定的光照敏感，还需要在之后的金属刻蚀等过程中保持性质稳定。不同的光阻一般具有不同的感光性质，有些对所有紫外线光谱感光，有些只对特定的光谱感光，也有些对X射线或者对电子束感光。光阻需要保存在特殊的遮光器皿中。

工艺过程
的简化示意图（未按比例绘制）]]
光刻工艺流程包括多个按顺序组合的步骤。现代洁净室使用自动化机器人晶圆轨道系统来协调整个工艺流程。此处描述的工艺流程省略了一些高级处理步骤，例如减薄剂。光刻工艺由晶圆轨道和步进/扫描光刻机完成，晶圆轨道系统和步进/扫描光刻机并排安装。晶圆轨道系统也称为晶圆涂覆/显影系统，它们功能是相同的。晶圆轨道的名称来源于用于在机器内部输送晶圆的“轨道”， 但现代机器不再使用轨道。

衬底准备
在涂抹光阻之前，硅衬底一般需要进行预处理。首先将晶圆加热至足以去除晶圆表面可能存在的水分的温度；150 °C加热十分钟即可。存放过的晶圆必须进行化学清洗以去除污染物。此外，为了提高光阻在衬底表面的附着能力，还会在衬底表面涂抹液态或气态的“附着力促进剂”，例如双(三甲基硅基)胺（“六甲基二硅氮烷”，HMDS）等。晶圆表面的二氧化硅层与HMDS反应生成三甲基二氧化硅，这是一种高度疏水的层，类似于汽车油漆上的蜡层。该疏水层可防止水性显影剂渗透到光刻胶层和晶圆表面之间，从而防止显影图案中微小光刻胶结构发生所谓的“翘起”。为了确保图像显影，最好将其覆盖并放置在加热板上，在120 °C的稳定温度下使其干燥。

光阻涂抹
在这一步中，需要将光阻均匀、平整地分布在衬底表面上。

晶圆通过涂覆光刻胶（光阻）液体。将硅片放在一个平整的金属托盘上，托盘内有小孔与真空管相连。由于大气压力的作用，硅片可以被“吸附”在托盘上，这样硅片就可以与托盘一起旋转。因此，表层的光刻胶会迅速从晶圆边缘甩出，而底层光刻胶仍沿晶圆径向缓慢蔓延。这样，任何光刻胶的“凸起”或“脊状”结构都会被去除，从而留下非常平坦的层。然而，粘稠的薄膜可能会导致较大的边缘凸起，这些凸起是晶圆或光掩模边缘处光刻胶厚度增加的区域，其平坦化程度存在物理极限。通常需要进行边缘凸起去除（EBR），通常使用喷嘴去除这些多余的光刻胶，否则可能会导致颗粒污染。最终厚度还取决于光刻胶中液态溶剂的蒸发。对于非常小且致密的特征（CD = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}

其中，\,CD是最小特征尺寸（也称为关键尺寸、目标设计规则或“半间距”），\,\lambda是所使用光的波长，而\,NA是从晶圆上看到的透镜数值孔径。

\,k_1（通常称作k1因子）是一个概括了与过程相关的因素的系数，在生产中通常等于0.4。（\,k_1实际上是工艺因素的函数，例如入射光照射到掩模上的角度和入射光强度分布。它在每种特定的工艺里都是固定的。）可以通过技术降低该系数来减小最小特征尺寸。

根据该公式，可以通过减小波长和增大数值孔径（以获得更聚焦的光束和更小的光斑尺寸）来减小最小特征尺寸。然而，这种设计方法面临着另一个制约的因素——在现代系统中，焦深也是一个需要考虑的问题：

:DOF = k_2 \cdot\frac{\lambda}{\,{NA}^2}

此处\,k_2是另一个与工艺相关的系数。焦深限制了光刻胶的厚度和晶圆上形貌的深度。在进行高分辨率光刻步骤之前，通常采用化学机械抛光来平整形貌。根据经典光学中的瑞利準則，k1=0.61。当两个点之间的距离小于1.22波长/数值孔径时，它们的图像将无法保持原有的间距，反而会因为两个艾里斑之间的干涉而变得更大（如图）。不过，也必须注意，两个特征之间的距离也会随离焦状态而改变。
在二维情况下，分辨率问题也同样不简单。例如，线条间距越密，线条端部之间的垂直方向间隙反而越宽。 更本质地说，当矩形特征在x和y两个方向上的间距都接近分辨率极限时，其直边会发生圆化。

在先进节点中，模糊（blur）而非波长成为限制分辨率的关键因素。最小节距由“模糊×σ/0.14”给出。模糊受能量剂量和量子产率的影响，因此在EUV光刻中，这需要与随机缺陷进行权衡。

焦深
除了分辨率之外，焦深（DoF）是光刻系统中的另一个关键指标。在投影光刻系统中，景深与数值孔径（NA）的平方成反比。周期性结构可以通过特定的照射方式（例如针对固定线条间距的双光束成像）来显著增大焦深。相反，非周期性特征，例如尖端到尖端的间隙，则会严重限制焦深，制约其可缩小的程度；这实际上比最小间距更有效地限制了分辨率。

随机效应
由于光由光子组成，因此在低剂量下，图像质量最终取决于光子数。这影响了极紫外光刻（EUVL）的应用，其最低剂量限制在20光子/纳米²量级。是因为在相同能量剂量下，波长越短（每个光子的能量越高），光子数就越少。由于构成图像的光子数减少，边缘定位会出现噪声。

随着间距图案变得更大、衍射级次变得更多、并且使用了更多的照明光源点，随机效应会变得更加复杂。

EUV光刻中的二次电子会加剧随机特性。

光源
历史上，光刻技术一直使用汞灯（有时也与氙等稀有气体混合使用）产生的紫外光。这些灯产生的光光谱范围很广，在紫外波段有几个强峰。通过对该光谱进行滤波，可以选择单一的光谱线。从20世纪60年代初到80年代中期，汞灯因其436纳米（“g线”）、405纳米（“h线”）和365纳米（“i线”）的光谱线而被广泛应用于光刻技术。然而，随着半导体行业对更高分辨率（用于生产密度更高、速度更快的芯片）和更高产能（用于降低成本）的需求不断增长，基于灯的光刻设备已无法满足行业的高端要求。

1982年，坎蒂·贾恩（）在IBM公司提出并演示了准分子激光光刻技术，克服了这一挑战。准分子激光光刻机（步进式和扫描式）成为微电子生产的主要工具，使芯片制造的最小特征尺寸从1990年的800纳米缩小到2018年的7纳米。从更广泛的科学和技术角度来看，在激光技术自1960年首次演示以来的50年发展历程中，准分子激光光刻技术的发明和发展公认为其一个重要的里程碑。

光刻系统中常用的深紫外准分子激光器是波长为248纳米的氟化氩（KrF）激光器和波长为193纳米的氟化氩（ArF）激光器。20世纪80年代准分子激光光源的主要制造商是 Lambda Physik（现属Coherent）和 Lumonics。自20世纪90年代中期以来Cymer公司成为光刻设备中准分子激光光源的主导供应商，而Gigaphoton公司是其主要竞争对手。准分子激光通常针对特定气体混合物设计；因此，改变波长并非易事，因为产生新波长的方法完全不同，且材料的吸收特性也会改变。例如，空气在193 nm波长附近开始显著吸收；向193 nm以下波长推进时，需要在光刻设备上安装真空泵和吹扫设备（重大挑战）。有时可用惰性气体氛围替代真空，以避免硬质管道连接。此外，诸如二氧化硅之类的绝缘材料，在暴露于能量大于其带隙的光子时，会释放自由电子和空穴，进而导致不良充电现象。

光学光刻已被延伸至 50 nm 以下的特征尺寸。该技术也称为浸没式光刻，它使得使用数值孔径超过1.0的光学系统成为可能。所采用的液体通常是超纯去离子水，其折射率高于透镜与晶圆表面之间通常的空气间隙。水被持续循环以消除热致畸变。水仅能将数值孔径提升至约1.4，但更高折射率的流体可进一步增大有效数值孔径。

已经制造出使用F2分子激光的157纳米长、工作方式类似于当前曝光系统的实验工具。这些工具曾计划在65纳米特征尺寸节点上接替193纳米光刻，但如今几乎已被浸没式光刻的引入所淘汰。这是由于157纳米技术存在长期难以解决的技术问题，以及经济因素提供了继续使用193纳米准分子激光光刻技术的强大动力。高折射率浸没式光刻是193纳米光刻最新考虑的延伸技术。2006年，IBM演示了使用该技术实现小于30纳米的特征。这些系统使用了CaF2氟化钙透镜。也有研究尝试了157 nm 的浸没式光刻。

已经有演示约126纳米（Ar₂* 准分子）的紫外准分子激光。汞弧灯设计用于维持50至150伏特的稳定直流电流，但准分子激光具有更高的分辨率。准分子激光是基于气体的光系统，通常填充惰性气体和卤素气体（Kr、Ar、Xe、F 和 Cl），通过电场激发。频率越高，图像分辨率越高。KrF激光能够以4千赫兹的频率工作。除了运行频率更高之外，准分子激光相比汞弧灯还能兼容更先进的设备。它们还可以在更远的距离（最远25米）工作，并能通过一系列反射镜和增透膜镀层透镜保持其精度。通过设置多个激光器和反射镜，能量损失被最小化；同时，由于透镜镀有增透膜，从激光离开到照射到晶圆，光强保持相对恒定。

激光已被用于间接产生非相干极紫外（EUV）光（波长13.5纳米），用于极紫外光刻。EUV光并非由激光直接发射，而是由锡或氙等离子体发射，该等离子体由准分子激光或CO2激光激发。这种技术不需要同步加速器，而且如前所述，EUV光源不产生相干光。然而，需要真空系统和一系列新型技术（包括比目前产生的EUV能量高得多的能量）来处理处于X射线谱边缘（始于10纳米）的紫外光。极紫外光刻已于2018年由三星投入大规模生产，其他厂商也随之跟进。截至2020年，EUV已被台积电、三星等领先代工厂投入大规模生产。

理论上，光刻的一种替代光源是自由电子激光——尤其是当波长继续缩短到极紫外或X射线时（对于X射线装置，或许可称之为X射线激光）。自由电子激光可以在任意波长上产生高质量的光束。

可见光和红外飞秒激光也被应用于光刻。在这种情况下，光化学反应由多光子吸收引发。使用这些光源有很多好处，包括能够制造真正的三维物体，以及加工未经过光敏化处理的（纯）玻璃类材料，这些材料具有优异的光学稳定性。

特殊形式与进一步发展
多年来，光刻技术一次又一次击破关于其消亡的预测。20世纪80年代初，半导体行业的许多人相信小于1微米的特征无法通过光学方式印制。而使用准分子激光光刻的现代技术已经能够印制出尺寸仅为所用光波长的几分之一的特征——这是一项惊人的光学成就。浸没式光刻、双调光刻胶和多重图案化等新技术持续提升着193 nm光刻的分辨率。与此同时，当前的研究正在探索传统紫外光的替代方案，例如电子束光刻、和。

大规模并行电子束光刻曾被探索作为光刻的替代方案，并由台积电进行了测试，但并未成功；该技术的主要开发商MAPPER的技术被ASML收购。尽管电子束光刻曾一度被IBM用于芯片生产，但现在仅用于掩模制造等小众应用。

浸没式光刻
如上文所述，浸没式光刻本质上与投影式光刻相同。不同之处在于，曝光时与光刻胶之间的介质不是空气，而是一种液体。浸没液体的一个例子是超纯水。与空气相比，其更高的折射率增大了成像系统的数值孔径，从而允许制作更小的结构。

IBM于2006年2月发表了首批研发成果。当时他们已在实验室实验中展示了特征尺寸为29.9纳米的结构成像。该技术于2007年首次引入大规模生产。其间也首次使用了折反射式投影物镜。截至2010年1月，采用该技术在芯片生产中已可实现32纳米的结构尺寸（使用193纳米激光辐射）。通过引入浸没式光刻，转向新型且更昂贵的光刻概念（如X射线或电子束光刻）的工作得以推迟。

在此过程中，至少部分地采用了其他技术和曝光方法，以便能够在光刻胶中成像出更小的结构。例如Double Exposure和Double Patterning工艺，即对一片晶圆进行两次曝光。首先以最大可达到的光学分辨率制作出某种结构（例如45 nm结构宽度），然后将晶圆的位置移动半个分辨率距离（22纳米），再投影第二个结构。晶圆步进机的定位精度足以满足这一过程，但重复曝光增加了工艺时间。通过将Double Patterning与 193纳米浸没式光刻相结合，已经实现了22纳米的结构尺寸。Double Patterning与32纳米浸没式光刻的组合甚至可能实现16纳米的结构尺寸——这原本被认为是EUV光刻的专属领域。为了达到这一目标，超纯水作为浸没液体的光学性能已不再足够。因此目前也开始使用折射率高达1.8的浸没液体，或正在研究替代方案。这些方案的目标之一是实现与透镜系统更好的匹配（例如进一步提高数值孔径）。

灰度光刻
传统光刻通常用于制造二元结构，即由完全去除和完全保留的区域构成的结构，而灰度光刻的开发目标是在显影后获得所需的光刻胶表面形貌，从而为微系统技术领域提供新的应用，例如用于制造3D结构。这遵循了一种新的光刻概念——在横向上变化曝光剂量，利用实际光刻胶的显影速率随剂量单调但非线性变化的特性，控制不同位置去除的光刻胶厚度。对于厚光刻胶层（厚度>5微米，远大于所用紫外辐射的穿透深度1–2微米⁻¹），也可以通过控制曝光时间来达到类似效果，原理是曝光后光刻胶对所用紫外辐射的吸收显著降低。显影后，可以通过强各向异性的干法刻蚀工艺将光刻胶形貌转移到下层的功能层中。

实际实现可变曝光剂量的方法有：多次曝光、灰度掩模、以及伪灰度掩模。在多次曝光中，根据所需结构，可以逐步移动一张掩模，或者使用多张具有不同遮光图案的二元掩模。此外，每个曝光步骤也可采用不同的曝光剂量以取得更好效果。伪灰度掩模是普通的二元掩模，但其中使用了小于投影物镜分辨极限的结构（衍射光学）。这会在像面产生亮度调制（类似报纸印刷中网点图片的效果）。而真正的灰度掩模上则制作有具有不同透射率的区域，通常通过一层（部分）吸收材料实现，其厚度在完全吸收与完全透射之间连续变化（例如精细的阶梯状轮廓）。

分辨率提升技术
光刻分辨率受瑞利判据制约，大致与波长成正比、与透镜数值孔径成反比。在波长和透镜被推向物理极限之后，业界开发了一系列分辨率增强技术：

  • 浸没式光刻：在投影透镜与硅片之间填充高折射率液体，将有效数值孔径提升至1.35以上，使193纳米光源可用于45纳米及以下的节点。
  • 多重曝光技术：将密集图案拆分为两至三个掩模，分次曝光后在硅片上组合（如LELE，即光刻-刻蚀-光刻-刻蚀）。自对准双重成像（SADP）进一步利用间隔物实现更密集的间距。
  • 计算光刻：利用光学邻近效应修正（OPC）和光源-掩模协同优化（SMO），在掩模设计层面预先补偿衍射和散射造成的影响。

2021年，光刻产业的产值超过80亿美元。

参见
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  • 立体光刻造型，是一种用于制造三维形状的宏观工艺
  • 晶圆代工

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  • ASML控股

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  • 半导体器件制造

参考资料
外部链接

#微影

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