光刻工艺流程及技术迭代分析

光刻工艺中不同曝光方式的技术迭代。

（1）接触式与接近式光刻机是最早的方式，这样的工艺尺寸在μm 级别。1）上世纪 60 年代接触式光刻机诞生，它的掩膜版直接与光刻胶层接触，是最简单的光刻设备，目前依然 有小批量的产品制造和实验室研究，主要应用于 5μm 以上的工艺。这种光刻机掩膜版上的 图形与曝光产生的图像基本是一比一的关系，一次性可以曝光整个衬底。由于未通过透镜对 光进行处理，所以极大地减少了光的衍射效应；但是在接触过程中，衬底与掩膜版之间的光刻胶直接接触，导致极其容易产生污染，降低了产品的良率同时也减少了掩膜版的寿命，所 以引进了接近式光刻机。2）与接触式光刻机相比，接近式光刻机为了避免掩膜版与光刻胶 直接接触产生污染，所以在掩膜版和光刻胶中间填充了氮气的间隙。掩膜版漂浮在氮气上方， 由于掩膜版与光刻胶距离越远，光越分散，所以在接近式光刻机里。最小分辨率尺寸是与间 隙成正比的，间隙越小，最小分辨率尺寸就越小，也就是分辨率越高。通常情况，掩膜版与 光刻胶的最小间隙控制在 2μm 到 3μm 之间。

（2）扫描投影式光刻机利用物镜系统将整个掩膜图形投影到晶圆上。由于接触式光刻 机以及接近式光刻机基本都是直接通过光照射掩膜版使其成像在晶圆上，没有经过透镜缩小 的光源极大的限制了光刻机的光刻精度，所以投影式光刻机也就应运而生了。投影式光刻机 利用光学成像原理在掩膜版和光刻胶之间采用了具有缩小倍率的成像物镜，突破了之前的衍 射限制，同时增加了掩膜版的使用寿命，有效的提高了分辨率。世界首台扫描投影式光刻机， 采用了汞灯光源，分辨率为 2μm。在工作过程中，扫描台上的硅片与掩膜版同时移动，汞 灯发出的光线将掩膜版的图案投影在光刻胶上。

（3）步进重复光刻机在光刻过程中，掩模版固定，晶圆完成单次曝光后步进到下一位 置。步进重复光刻机不需要掩膜台和晶圆反向扫描，结构相对简单，成本较低性能稳定。除 此之外，其采用了 22×22mm 的典型静态曝光视场(FOV)和缩小比为 5:1 或 4:1 的光学投影 物镜，将掩模版上的图形光刻到晶圆上，也就意味着同样精度的掩膜版和同样波长的光源通 过缩小倍率的透镜可以实现更高的精度。目前重复光刻机仍广泛应用于非关键层以及封装等 领域，主要采用 g 线和 i 线光源。

（4）步进扫描式光刻机为现在主流光刻设备。单场曝光采用了动态扫描方式，掩膜版 相对衬底晶圆同步完成扫描运动。在完成了当前的曝光后，晶圆由工作台承载到下一个扫描 场位置，继续进行重复曝光。重复步进扫描曝光多次以后，直至整个晶圆曝光完毕。步进扫 描光刻机的物镜倍率通常为 4 比 1，也就是掩膜版图形尺寸是晶圆图形尺寸的 4 倍，所以掩 膜台扫描的速度也是工作台移动速度的 4 倍。在采用了动态扫描以后，曝光精度、强度以及 曝光的均匀性均有大幅提升。对于传统的硅基底工艺，从 0.18μm 开始便采用可步进扫描 光刻。现阶段 7nm 以下的极紫外光刻机也采用的步进扫描式光刻。

（5）多重曝光技术在不改变光源波长的情况下提高分辨率水平。随着光源波长的不断 减小，对于光源精度的要求也就越高，同时在光源上投入研究的边际效应越来越低，使得单 纯通过光源提高光刻机的分辨率陷入瓶颈，于是各大晶圆厂引入了多重模板工艺。多重模板 工艺存在多个细分类，双重曝光在 28nm 节点首先启用用于改善图形质量。除此之外，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）技术也在 14/16nm-7nm 工艺节点发挥了重要作用。

（6）在多重曝光技术中，最重要的是套刻精度。多重曝光意味着每一次曝光在晶圆片 上的位置必须高度的一致，否则曝光后的电路结构就会出现错误，两次曝光位置的偏移程度 成为套刻精度的重要指标。因此，随着曝光次数的不断增加，工艺成本也随之激增，同时光 刻机的生产效率、良品率、耗电量都会受到影响，于是带来成本的激增，给先进制程产业化 生产带来了一定的阻碍并一定程度上降低了效益。所以在对芯片性能没有极高要求的领域， 采用多重曝光工艺具有比较高的性价比，同时也能比较稳定地完成相关需求。

（7）针对 5nm 以下的制程节点，EUV 光刻机则成为了必需设备。因为当工艺节点达 到了 7nm 以下以后就必须使用自对准四重曝光（或大于四重）图形，此技术存在大量相关 技术难题。首先自对准多重图形必须有大量重复的配套流程，包括但不仅限于刻蚀、薄膜沉 积等步骤，工艺复杂度大幅提升。同时多重曝光所采用的 193nm 光源本身也存在分辨率极 限，不能满足 5nm 以下的制程需求。所以现阶段顶尖制程所需要的设备仍是以高分辨率光 源为突破口的 EUV 光刻机。

瑞利公式指引光刻机技术不断突破。（1）瑞利公式指引光刻机技术不断突破。高端的工艺制程具有更小的线宽以及更高的 曝光分辨率，这就需要提到极其重要的瑞利公式：R=K・λ/Na，K 为工艺因子常数，其理 论极限值是 0.25，λ为光源波长，Na 为物镜的孔径数值。光刻机可以通过提高工艺水平（缩 小 K 值），缩小光源波长，提高数值孔径的方式来提高分辨率水平。

（2）缩小光源波长可以提高分辨率。光刻机光源共经历五代产品发展：第一代光线为 g-line，属于可见光源，最开始应用于接触/接近式光刻机，光源波长为 436nm 对应 800- 250nm 的工艺；第二代为 i-line，属于紫外光源，波长为 365nm；第三代为 KrF 工艺，此光 源属于深紫外光源，也就是我们耳熟能详的 DUV 光源，其采用了 248nm 的 KrF 光源，对 应了 180-130nm 的工艺；第四代是 ArF 光源，同属于 DUV 光源，波长为 193nm，分为干 式光刻机和浸没式光刻机，浸没式光刻机通过在物镜镜头和晶圆之间增加去离子水增大折射 率来提高光刻精度。第五代就是最新的极紫外光科技，也就是我们常说的 EUV 光刻机，采 用 13.5nm 的 EUV 光源，对应 7-3nm 的工艺。

（3）随着光源系统的不断向更短波长迭代，光刻工艺的芯片制程也在不断降低。光源系统是决定光刻机迭代的主要因素，随着不同光源系统的升级，对应的光波波 长不断减小，同时光刻的制程也在不断降低，最新的 EUV 光源是能够光刻 3nm 芯片的先进 技术。

（4）光源迭代遭遇瓶颈，提高 NA（数值孔径）为当前研发重点。?? = ? ∗ ??? ?，所 以提高数值孔径可以通过两个方法实现：1）增加投影物镜的直径，使更多的衍射光被收集 并聚焦在晶圆表面，从而提高数值孔径。但在干式光刻机中，当光从投影物镜射出时，由玻 璃介质进入空气介质，会产生折射效应，射出投影物镜的光角度会产生变化，最终在晶圆表 面聚焦成像。当缩小线宽，为了仍可收到 1 阶衍射光而加大投影物镜的直径时，从投影物镜 内聚焦的光角度也会愈来愈大，再经过折射效应，射出投影物镜的光角度会愈来愈接近水平。 最后，由于角度太大加上折射效应，投影物镜内的光产生全反射而返回物镜内，无法成像， 该方法失效；2）使用浸没式光刻在投影物镜和晶圆间加水，从而增大介质折射率（193nm 波长激光中，空气=1，水=1.44，玻璃~1.5），实现等效波长为 193/1.44=134nm。这就是浸 没式光刻机的理论由来。

（5）光刻机在 ASML 技术发展下不断迭代，最小分辨率也在不断地减小，从而推动整 个全球先进制程工艺的发展与进步。此外，数值 孔径越大，同一个光源下的精度相对更高。制程越高，单位时间晶圆产量在减少，工艺技术 越先进，精确度越高，生产过程更加复杂，因此单位时间产量相对更低。总体上说，光刻机 在瑞利公式的指引下不断进步发展，为全球半导体先进工艺发展不断做出贡献。