光刻技术原理、工艺过程及决定因素有哪些？

先进制程关键步骤，半导体产业基石。

摩尔定律（Moore'sLaw）：1965 年，英特尔联合创始人戈登·摩尔（GordonMoore）提出著名的摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的电子元件的数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。半导体行业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪，对二十世纪后半叶的世界经济增长做出了贡献，并驱动了一系列科技创新、社会改革、生产效率的提高和经济增长。个人电脑、因特网、智能手机等技术改善和创新都离不开摩尔定律的延续。不断迭代创新的光刻技术使摩尔定律持续实现。

光刻(Lithography)是一种图像复制技术，是集成电路工艺中至关重要的一项工艺。简单地说，光刻是将掩模版上具有各种电子特性的区域图（即电路图形），按比例精确微缩并曝光成像在晶圆上，完成集成电路工艺图形化转移的第一步。其原理与照相十分类似，但精细度要求较高。相机的原理，是被摄物体被光线照射所反射的光线，透过相机的镜头，将影像投射并聚集在相机的底片（感光元件）上。而光刻机的原理是将高能激光（Laser）穿过掩模版（Reticle），将掩模版上的电路图形透过聚光镜（Projection lens），将影像缩小十六分之一后成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆（Wafer）上。对比相机和光刻机，被拍摄的物体相当于掩模版，单反镜头等同于聚光镜，底片就是预涂光阻层的晶圆。值得注意的是，光刻过程只是投影，并没有刻的过程，刻的过程是在刻蚀机完成的。

光刻在芯片制造过程中耗时最长、成本占比最高。在芯片制造过程中，一般需要进行 20-30 次光刻才能完成各层图形的传递，每一次都需要经过一整套复杂的工艺过程,包括沉积、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入、光刻胶移除等重要步骤。在芯片制造过程中，光刻是最复杂、昂贵和关键的工艺，光刻的成本约为整个制造工艺成本的 1/3，耗费时间约占整个制造工艺时间的40%-60%。(1) 沉积：将硅或是其他材料通过沉积的方式加在晶圆上,作为这一层的基材(基底材料)。并在其上层产生氧化层(二氧化硅)作为绝缘层。(2) 涂胶：将光刻胶均匀旋涂在氧化层(二氧化硅)上。(3) 曝光：使用高能激光透过掩模版，将光罩上的线路图形转移到光刻胶上，光刻胶被激光照射到的部分会产生感光。 (4) 显影：加入显影液，将没有被感光的光刻胶溶解去除。此时，氧化层(二氧化硅)上只留下了被感光的光刻胶区域，即掩模版上的线路图图形。(5) 刻蚀：使用化学或物理溅射方式将没有被光阻保护的氧化层(二氧化硅)部分去除。 (6) 离子注入：在没有被光刻胶或氧化层保护的部分注入离子,在硅层产生半导体层。 (7) 光刻胶移除：离子注入之后，已经不再需要光刻胶作为保护层，这时将多余的光刻胶去除。

与其他技术路线相比，光刻技术更适合大规模量产。由于采用了投影的方式，一片晶圆经过光刻工艺之后，便完成了成千上万个芯片的曝光工作，效率较高，远超电子束刻蚀、纳米压印等其他技术路线。高效率意味着更低的成本，因此光刻技术路线是目前厂商大规模量产的主流选择，其地位不可撼动。以ASMLNXT1980Di 的官方数据为例，其产能是每小时 275 片，前置条件是单片晶圆曝光96个区域，同时每平方厘米能给 30 焦耳的能量。目前没有一个其他的技术路线，包括电子束刻蚀和纳米压印能做到这样的量产规模。

光刻的工艺水平决定芯片的制程与性能。光刻分辨率（Resolution）表示能清晰投影最小图像的能力，是光刻机最重要的技术指标之一，决定元件的最小特征尺寸与芯片的集成度。对于理想的成像系统，一个点所成的像是一个完美的点，但实际光学系统中使用的透镜具有一定大小的孔径，由于光的衍射现象，系统所成的像不再是理想的几何点像，而是具有一定大小的光斑（艾里斑）。当两个点过于靠近时，其所成的光斑重叠在一起，就可能分辨不出是两个点所成的像，即光学系统中存在着极限分辨率。瑞利准则（Rayleigh Criterion）规定，当一个艾里斑的中心与另一个艾里斑的第一级暗环重合时，达到极限点，此时两个光斑刚好可以被分辨，再近就不能分辨了。其中，能够区分两个光斑的最小距离，就是分辨率。分辨率决定了元件的最小特征尺寸，进而决定了芯片的集成密度。我们沿着摩尔定律不断追求晶体管数目翻倍的过程，其实就是在追求越来越高的分辨率。

光刻分辨率由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定。根据瑞利准则，分辨率公式为 R=k1*λ/NA，其中λ为光刻机使用的光源波长；NA(Numerical Aperture）是光学器件的数值孔径，描述了它们能够收集光的角度范围，表示可以收集多少光，公式为 NA=n*sinα，n 为投影物镜系统像方介质的折射率，α为投影物镜像方半孔径角；k1代表光刻工艺因子，是众多其他影响因子的汇总，如光刻胶的聚合度，分子量，颗粒度，感光剂，以及硅片的平整度，光的入射角度，杂质/灰尘的影响量等。k1与使用方（芯片制造公司）的工艺密切相关，不同的公司，该参数差异较大，理论上对于单次曝光，k1的最小极限约为0.25。通过缩短光源波长、增大数值孔径、减小光刻工艺因子可以提高光刻分辨率。(1) 缩短光源波长：早期的光刻机为了提高分辨率，把资源都集中在如何缩短光源波长λ方面，于是光刻机的波长一路降低，从早期的高压汞灯g 线的436nm，i 线的 365nm，到准分子激光器 DUV KrF 的 248nm，ArF 的193nm，再到193nm浸没式等效出 134nm，到现在出现了极紫外 EUV 的13.5nm。

(2) 增大数值孔径：数值孔径 NA 和光刻机投影系统的设计有密切关系，随着成像系统越来越复杂，内部涉及的棱镜与反射镜越来越多，NA 值逐渐提高、sinα接近理论极限值。通过改变环境的折射率可以改变数值孔径，折射率越大NA 越大。浸入式光刻机将光学系统浸入水中，通过水来进行折射，从而实现更高的折射率，提高数值孔径。从 ArF 到 ArFi，由于引入水介质（n=1.33）使得 NA 值提高了 45%。

(3) 减小光刻工艺因子：计算光刻 OPC--由于光刻采用光学的方式曝光，存在光学邻近效应，使得最终图案与设计图案存在差异，通过在掩膜上增加辅助结构来消除图像失真，从而获得更好的加工精度；离轴照明OAI--通过采用特殊光源让正入射方式光变成斜入射方式，在同等数值孔径内容纳更多的高阶光，以此提高分辨率；相移掩模 PSM—通过改变掩模版结构，在其中一个光源处采用 180 度相移，使两处光源产生的光产生相位相消，使两个光源可以有效区分开，以此提高分辨率。 通过不断提升光刻工艺的分辨率，进而提升芯片的性能。由于光刻的分辨率直接决定元件的最小特征尺寸，元件的特征尺寸越小，元件间的距离越近。电子在元件中的运动是从元件的一端通过一段沟道送到另一端。元件两端距离越短，传送时间越短；元件与元件间的距离越近，传送时间亦越短，因此数据传递的速度也越快。 此外，元件的特征尺寸越小，单位面积上可容纳的电子元件数目越多（集成度越高）。对于存储芯片来说，意味着存储速度和存储量不断提升；对于处理芯片来说，便可在一个芯片中制作多个处理单元，即二核心、四核心、八核心等多核架构，多核架构的处理芯片能够同时处理多个任务(多工)，显著提升了处理速度。