光刻技术发展经历了怎样的过程？

半导体生产中，光刻技术的发展经历了多个阶段。

1. 接触/接近式光刻机（Aligner）：光刻设备鼻祖

1961 年美国 GCA 公司制造出了第一台接触式光刻机，掩模盖与光刻胶图层直接 接触，光线透过掩膜进行曝光时可以避免衍射。接触式光刻机的工作方式，对光 刻胶和掩模版都存在损坏和污染，生产良率低，掩模版寿命短。为解决上述问题， 产生了接近式光刻机，掩膜和表面光刻胶之间存在微小空隙。这些新设计提高了 良率和使用寿命，但是光在微小间隙中的衍射现象，使得最高分辨率只有 3 微米 左右。这一时期的光刻机厂商有 Siemens、GCA、Kasper Instruments 和 Kulick＆ Soffa 等，典型的芯片产品有英特尔 4004/3101。接近/接触式光刻厂家，目前还有 德国苏斯和奥地利 EVG,其设备主要服务于 MEMS、先进封装、三维封装、化合 物半导体、功率器件、太阳能领域。

2.扫描投影/重复步进光刻机（Stepper）：仍满足大线宽工艺

Perkin Elmer 在 1973 年推出了 Micralign100，世界首台投影式光刻机，采用汞灯 光源，孔径数值 0.17，分辨率 2 微米。工作过程中，扫描台承载硅片与掩膜版同 步移动，汞灯发出的光线经过狭缝后成为均匀的照明光，透过掩膜将图案投影在 光刻胶上。其对称的光路设计可以消除球面镜产生的大部分像差， Micralign 让芯 片生产的良率，从 10%提升到了 70%。

为了满足更高的进度要求，1978 年,美国 GCA 公司推出了首台步进重复投影光刻 机。 步进重复光刻机不需要实现掩模和圆片同步反向扫描，在结构上不需要扫描掩模 台和同步扫描控制系统，因而结构相对简单，成本相对较低，性能更加稳定。同 时，由于其采用缩小倍率的物镜（4:1 或 5:1 或 10：1），降低了掩膜版的制作难度， 能够满足 0.25 微米以上线宽制程的工艺要求。目前，步进重复光刻机仍然广泛应 用在非关键层、封装等领域，采用 g 线或 i 线光源，少数高端设备采用 KrF 光源。

上海微电子装备公司于 2009 年开发 SSB500 系列步进重复光刻机，2015 年在封装 领域市占率已达 40%。

3.步进扫描光刻机（Scanner）：主流光刻设备通用

集成电路工艺制程达到 0.25 微米后，步进扫描式光刻机的扫描曝光视场尺寸与曝 光均匀性更具优势，逐步成为主流光刻设备。其利用 26mm x 8mm 的狭缝，采用 动态扫描的方式（掩膜版与晶圆片同步运动），已经可以实现 26mm x 33mm 的曝 光场。当前曝光场扫描完毕后，转移至下一曝光场，直至整个晶圆片曝光完毕。

通过配置不同类型的光源（I 线、KrF、ArF，EUV），步进扫描光刻机可以支持所 有集成电路工艺节点；但为满足高端工艺节点的性能要求，每一代步进扫描光刻 机都历经了重大技术升级。例如：步进扫描式光刻机 26mm x 8mm 的静态曝光场 相对较小，降低了物镜系统制造的难度；但其工件台与掩膜台反向运动的动态扫 描方式，提升了对运动系统的性能要求。对此，荷兰 ASML 公司于 2001 年首次推 出了双工件台，满足先进工艺的的速度、精度、稳定性要求。

4. 各项革新推向光刻性能巅峰

自 1990 年美国 SVGL 公司推出 Micrascan I 步进扫描光刻机以来，全球主流光刻 机厂商均采用步进扫描光刻原理。这其中，DUV 步进扫描光刻机包揽 7 纳米及之 前的全部工艺制程。在 1990 到之后的这近 30 年时间里，集成电路制造工艺水平 已经发生翻天覆地的变化。而为了满足先进制程的各项要求，光刻机除了之前提 到的双工件台外，还采用了多项其他重大革新。

更高端的工艺制程的集成电路，具有更小的线宽，这就需要光刻机具有更高的曝 光分辨率。此时就需提到决定光刻分辨率的公式 R=K1・λ/Na。其中，K1 为工艺 因子常数，与照明方式、掩膜类型、光刻胶显影性能等参数相关; λ为光源波长； Na 为物镜的孔径数值。光刻机不断提高物镜的孔径数值，并采用波长更短的光源 来提高分辨率水平。

SVGL 公司于 1993 年推出的 Micrascan II 型光刻机，采用 250nm 汞灯光源，分辨 率为 350nm,孔径数值为 1.35。1995 年，日本尼康推出全球首台采用 248nm 的 KrF 光源的光刻机，分辨率达到 250nm；并于 1999 年推出首台采用 193nm 的干式 ArF 光源的光刻机 NSR-S302A，分辨率小于 180 纳米。在此之后，光源波长一直停滞 在 193nm 水平，提升分辨率主要依赖改良物镜，提升孔径数值。 针对如何进一步提升分辨率的问题上，各厂家产生技术争议。日本企业计划采用 157nm 的 F2 光源；荷兰 ASML 决定采用台积电研发副总监林本坚提出的，在物 镜镜头和晶圆之间增加去离子水增大折射率的设想。ASML 于 2004 年推出首台浸 没式光刻机（ArFi）TWINSCAN AT 1150i，获得客户迅速认可，市场份额得以快 速攀升。

采用浸没式系统的光刻机，其入射到晶圆表面的光线等效为 134nm 的波长，叠加 物镜的不断改进（孔径数值 NA 最高可达 1.35），整机的半周期分辨率（half-pitch） 提升到了小于 38 纳米的级别，可满足 28 纳米工艺需求。但当制程等级达到 22 纳 米级别时，光刻机的分辨率也已力不从心，各大晶圆厂分分引入了多重膜版工艺。

多重掩膜版工艺有多个细分类，其中双重曝光（DE）在 28 纳米节点首先启用，用 于改善图形质量。此外，曝光-固化-曝光-刻蚀（LFLE）、双重光刻（LELE）、三重 光刻（LELELE），自对准多重图形（SAMP）技术陆续在 14/16nm-7nm 工艺节点 发挥了重要作用。多重掩膜版工艺的发展，对光刻设备提出了更高的要求。

首先，为保证两次光刻之间的精准对齐（否则会产生电路错位或高度均匀性偏差）， 光刻机需要严格控制套刻误差；为此光刻机升级采用更精确的对准系统和运动系 统，也配备了更高等级的套刻误差测量设备。 其次因为采用双重光刻（LELE）等使每次曝光的图案间距增大一倍，但是对图案 本身线宽的要求并没有降低。对此，光刻机需要更好的图案质量和稳定性，更小 的光学畸变。

针对 5 纳米及以下的制程节点，分辨率更高极紫外光刻机（EUV）成为必需设备。 因为当工艺节点达到 7 纳米等级后，自对准四重图形（SAQP）等成为光刻工艺的 主流方案，也产生了相关技术难题。首先，自对准四重图形和三重光刻包含大量 配套的刻蚀、薄膜沉积、去胶和膜层剥离等步骤，工艺复杂程度急剧提升，保持 良率难度大。其次多重曝光所采用的 193nm 光源本身的分辨率极限，其成像能力 不满足 5 纳米或更高等级制程需求。EUV 光刻机也可降低 10-7 纳米等级芯片生产 的复杂程度。

与 DUV 使用的准分子激光光源不同，EUV 光刻采用 13.5nm 波长的离子体光源。 这种光源是通过二氧化碳激光器轰击雾化的锡（Sn）金属液滴，将它们蒸发成等 离子体，通过高价锡离子能级间的跃迁获得的。 由于 EUV 光线波长短很容易被空气吸收，所以工作环境需要被抽成真空，也无法 被玻璃透镜折射。硅与钼镀膜的布拉格反射器（Bragg reflector，一种多层镜面， 可以将很多小的反射集中成一个更强的反射）取代了原有的物镜。德国光学公司 蔡司（Zeiss）生产世界上最平坦的镜面，使得 EUV 光线经过多次反射后能够精准 的投射到晶圆上。目前 ASML 最先进的 EUV 设备为 NXE 3600D，分辨率达到 13 纳米，适用于 3-5 纳米芯片制程，未来计划通过进一步提升孔径数值来提高分辨 率水平。

5. 电子束、纳米压印：潜在的另辟蹊径

电子束/激光直写技术使用带电粒子/激光直接轰击对象表面，在目标基片上一次形成纳米图案构造，无需制备价格昂贵的掩膜版，生产准备周期较短。这其中激光 直写光刻已经运用到了 PCB 制造中。电子束光刻具有极高的分辨率（10 纳米等 级）和曝光精度，有望成为 EUV 光刻之外的另一种选择。目前电子束光刻的技术 局限是工作效率较低，无法运用在大规模集成电路生产中；后续的多电子束光刻 有望在未来解决这一问题。 纳米压印采用电子束等技术将电路图案刻制在掩膜上，然后通过掩膜使得对象上 的聚合物变形，再采用某种方式使得聚合物固化，进而完成图案的转移。纳米压 印具备分辨率高，成本低的特点；但其同时存在刻套误差大，缺陷率高，掩膜版 易被污染的技术问题。