引 言

在萬物互聯，AI革命興起的今天，半導體芯片已成為推動現代社會進步的心臟。而光刻(Lithography)技術，作為先進制造中最為精細和關鍵的工藝，不管是半導體芯片、MEMS器件，還是微納光學元件都離不開光刻工藝的參與，其重要性不言而喻。本文將帶您一起認識光刻工藝的基本知識。

光刻工藝的誕生

談起光刻技術，其起源于19世紀的攝影技術發(fā)展，但在半導體領域的應用則是20世紀50年代隨著集成電路的誕生而起步。戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律，預測了集成電路上晶體管數量每隔18個月翻番，這一定律的實現，離不開光刻設備和光刻技術的不斷革新和進步。而如今投影式光刻技術的極快對準和曝光能力，使其成為了工業(yè)化量產的主流光刻工藝。目前最先進的極紫外（EUV）投影光刻機每小時曝光能力超過185片晶圓，分辨率可達8nm，集成了超過10萬個零件。

投影式光刻的基本概念

投影式光刻是一種利用光學系統將掩模（Photo Mask）上的微細圖案投影到硅晶圓表面的光刻膠(Photo Resist)上，再利用光刻膠的光化學反應顯影(Develop)復制出圖案，它是現代微納制造中實現微觀圖案轉移的核心手段。

分辨率(Resolution)和聚焦深度(Depth of Focus)是衡量光刻工藝的重要參數指標之一。集成化程度的不斷提高，特征尺寸的不斷減小，依賴于光刻分辨率的提升。根據瑞利分辨率公式：

（1）中R為分辨率即極限特征尺寸，λ為光源波長，NA是光學系統透鏡的數值孔徑，k1為工藝因子，與制程工藝有關。由公式可知，在工藝因子一定下，減小曝光光源波長和增大數值孔徑是提高分辨率的兩大重要途徑。

聚焦深度同樣也有近似公式：

（2）中DoF是焦深，n是透鏡與晶圓介質的折射率，λ為光源波長，NA是透鏡數值孔徑，工藝穩(wěn)定下可以認為k2是一個常數因子。公式（1）指出減小波長能提高分辨率，公式（2）又提到波長減小將使焦深變小，因而高的分辨率和更大的焦深似乎是矛盾的，產業(yè)界致力于尋找更高分辨率與合理焦深的平衡點。

圖 一些典型的分辨率增強技術

圖源：《超大規(guī)模集成電路先進光刻理論與應用》 韋亞一著

投影光刻工藝的基本步驟

光刻工藝通常包括以下步驟：

1.晶圓預處理：首先硅晶圓被準備好，通常是用HMDS預處理并烘烤。這一步稱為增粘處理，以確保光刻膠涂覆的成功。

2.光刻膠涂覆：光刻膠被均勻涂覆在硅晶圓表面。光刻膠是光敏化層的一部分，用于接收光的投影并在之后的步驟中進行化學反應。

3.涂膠后軟烤：也稱為前烘，光刻膠涂覆后需要馬上進行烘烤，主要目的是蒸發(fā)光刻膠中的大量溶劑，避免膠膜內部氣泡殘留。

4.對準曝光（Exposure）：光刻機上通過一系列對位確保掩模和硅晶圓對準，光源通過透鏡系統將掩模上的圖案精確地投影到光敏化層上發(fā)生光化學反應。

5.曝光后烘烤：也叫后烘，一般地化學放大膠或圖形反轉膠需要后烘步驟。后烘使曝光產生的光酸擴散并發(fā)生交聯反應，也有去除一部分駐波的作用。

6.顯影：溶解曝光后指定區(qū)域的光刻膠。常見的顯影方式有：浸沒式（immersion）、噴淋式（spray）和攪拌式（puddle）三種。顯影后要立即用去離子水沖洗。

7.硬烘烤：也叫堅膜，通過加溫烘烤使膠膜更加牢固的粘附在晶圓表面，并可以增加膠層的抗刻蝕能力，堅膜并不是一道必需的工藝。

8.檢測：用于確保光刻工藝后的圖形符合設計規(guī)范和質量要求。通過光學或電子束等手段檢測并分類光刻過程中可能出現的問題，如線寬偏差、圖形缺陷、套刻誤差等。

圖. 基本光刻工藝步驟示意圖

其他微納光刻技術

在微納加工領域除了上述有掩膜的投影光學光刻技術，還有一些無掩膜的光刻技術，如電子束光刻、激光直寫光刻、聚焦離子束光刻、納米壓印光刻等。

電子束光刻：使用聚焦的電子束直接在光刻膠上寫入圖案。適用于小批量生產和掩模制作，以及納米尺度的研究。

激光直寫光刻：利用高能激光束直接在光敏材料表面或內部進行局部曝光，從而實現微米甚至納米尺度的精細圖案制作。

聚焦離子束光刻：使用聚焦的離子束在光刻膠上形成圖案。適用于高分辨率的微納加工和圖案的修補。

納米壓印光刻：通過物理壓印的方式將圖案從硬模具壓印到聚合物材料上。具有高分辨率和低成本的優(yōu)勢，適用于大面積圖案的制造。

這些光刻技術以其成本效益和設計靈活性展現出潛力，但目前精度或效率等存在不足，難以滿足大量制造需求。盡管短期內難以替代傳統光學光刻，但快速地技術進步或在特定微納加工領域獲得關注。

結 語

光刻技術作為半導體產業(yè)的微雕藝術，不僅在過去幾十年里推動了科技的飛速發(fā)展，相信在未來的科技創(chuàng)新中也會扮演著至關重要的角色。隨著半導體和微納加工技術的不斷進步，我們期待光刻技術能夠帶來更多的突破，為人類社會的發(fā)展貢獻更多的力量。