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在半导体行业，光刻（Photo）工艺技术就像一位技艺高超的艺术家，负责将复杂的电路图案从掩模转印到光滑的半导体晶圆上。作为制造过程中不可或缺的一步，光刻技术的精准与否直接关系到芯片的性能、成本和生产效率。这一工艺的重要性，让许多业内人士称其为半导体的灵魂。所以，本章节主要跟大家分享的就是半导体光刻（Photo）工艺技术的核心原理和未来挑战。

一、光刻（Photo）工艺技术的起源与发展

光刻是半导体工业的核心工艺技术。自1960年Fairchild Semiconductor的罗伯特·诺伊斯发明单片集成电路以来，光刻一直是主要的光刻工艺技术。

光刻（Photo）工艺技术本质上是，掩膜版用于对光刻胶进行图案化，从而实现图案化沉积和蚀刻工艺。光刻工艺的最终分辨率由所用光源的波长决定。

在短波长光刻源的开发方面取得的进展，使得以摩尔定律为特征的电路密度不断增加。在过去光刻所需光源是Mercury discharged lamps，例如365nm时期采用的i-Line，但最近KrF为248nm或ArF为193nm的准分子激光器成为了首选光源。采用浸润式光刻技术，需要将透镜和芯片浸没在折射率比空气高的水中，由此ArF激光器获得的最终分辨率约为50nm。

过去二十年，193nm波长的光刻技术得到了发展。虽然使用F2准分子激光的157nm光刻技术取得了一些突破，但人们主要关注的还是使用13.5nm软X射线作为光源的极紫外（EUV）光刻技术。

荷兰ASML在EUV技术的研发中发挥了主导作用，目前其EUV设备主要被包括英特尔、三星和台积电在内的先进CMOS代工厂用于生产。

EUV光刻使用波长仅为13.5纳米的极紫外光，这种短波长的光源能够实现更小的特征尺寸（约10纳米甚至更小）。然而，EUV光刻的实现面临着一系列挑战，如光源功率、掩膜制造、光学系统的精度等。经过多年的研究和投资，ASML公司在2010年代率先实现了EUV光刻的商业化应用，使得芯片制造跨入了5纳米以下的工艺节点。

随着光刻技术接近物理极限，学术界和工业界正在探索新的技术，如多光子光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等。这些新技术可能会在未来的“后摩尔时代”起到关键作用。此外，量子计算和其他新型计算架构的出现，也为光刻技术的发展提供了新的机遇与挑战。

二、光刻（Photo）工艺技术的介绍

光刻，英文全称：Photolithography，简称为“Photo”。光刻工艺因通过将图形掩模暴露在光线下将电路设计转移到晶圆上而得名。在晶圆上制作复制品就像在感光纸上洗印黑白底片一样。

因为光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%。

光刻机是生产线上最贵的机台，5～15百万美元/台。主要是贵在成像系统（由15～20个直 径为200～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）。其折旧速度非常快，大约3～9万人民币/天，所以也称之为印钞机。光刻部分的主 要机台包括两部分：轨道机（Tracker），用于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning )。

而随着电路图形变得越来越密集，芯片元件也需要使用高精度纳米级工艺来缩小。制作这些更精细的电路图形完全取决于光刻工艺，因此，随着芯片变小，高精度和先进的光刻工艺技术是必不可少的。

三、光刻（Photo）工艺技术的基本原理

半导体光刻（Photo）工艺技术是通过光学成像和光化学反应实现电路图案的微缩化转移，其原理是运用光的特性，将复杂的电路图案从掩膜版转移至基片上。具体而言，该过程依赖于光学-化学反应，光源照射使光敏材料发生化学或物理变化，最终通过显影得到所需图案。常见的光敏材料有正性光刻胶和负性光刻胶，分别在感光与显影过程中展现不同的去除特性，其核心原理分如下两个方面：

1、光学投影系统‌

光刻机利用紫外光或极紫外光作为光源，通过掩模版（光罩）携带电路图形信息，经复杂光学系统将图案按比例缩小并投影至涂有光刻胶的硅片表面。此过程类似照相技术，但精度要求达到纳米级。

‌2、光化学反应‌

光刻胶（光致抗蚀剂）是关键材料，分为正胶和负胶两种类型。正胶在曝光后溶解度增加，显影时被溶解；负胶则相反，未曝光区域被溶解。这一特性使得掩模版图案能在硅片上形成对应抗蚀结构。

四、光刻（Photo）工艺技术的过程

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序，以下就是详细工艺流程：

1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）

（1）方法

湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮气保护）

（2）目的

a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；

b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。

2、涂底（Priming)

（1）方法

a、气相成底膜的热板涂底。HMDS蒸气淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；

b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。

（2）目的

使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。

3、旋转涂胶（Spin-on PR Coating）

（1）方法

a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；

b、动态（Dynamic）。低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。

决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；

（2）影响光刻胶厚度均运性的参数

旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。

一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）：

I-line最厚，约0.7～3μm；KrF的厚度约0.4～0.9μm；ArF的厚度约0.2～0.5μm。

4、软烘（Soft Baking）

（1）方法

真空热板，85～120℃,30～60秒；

（2）目的

除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；

5、边缘光刻胶的去除（EBR，Edge Bead Removal）

光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。所以需要去除。

（1）方法

a、化学的方法（Chemical EBR）

软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘处，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；

b、光学方法（Optical EBR）

即硅片边缘曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解

6、对准并曝光（Alignment and Exposure）

（1）对准方法

a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；

b、通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。

（2）曝光方法

a、接触式曝光（Contact Printing）

掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。

缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。

b、接近式曝光（Proximity Printing）

掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为2～4μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）

在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。

优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。

（3）投影式曝光分类

扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸；

a、步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。

80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。

b、扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）

90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。

优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机 械系统的精度要求。

在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片 （Monitor Chip）。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：

a、颗粒控片（Particle MC）

用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；

b、卡盘颗粒控片（Chuck Particle MC）

测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；

c、焦距控片（Focus MC）

作为光刻机监控焦距监控；

d、关键尺寸控片（Critical Dimension MC）

用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；

e、光刻胶厚度控制（PhotoResist Thickness MC）

光刻胶厚度测量；

f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）

光刻胶缺陷监控。

举例：0.18μm的CMOS扫描步进光刻工艺。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm） ；数值孔径NA：0.6～0.7；焦深DOF：0.7μm

分辨率Resolution：0.18～0.25μm

（一般采用了偏轴照明OAI_Off- Axis Illumination和相移掩膜板技术PSM_Phase Shift Mask增强）；

套刻精度Overlay：65nm；产能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；视场尺寸Field Size：25×32mm；

7、后烘（PEB，Post Exposure Baking）

（1）方法

热板，110～1300C,1分钟。

（2）目的

a、减少驻波效应；

b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

8、显影（Development）

（1）方法

a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。

缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；

b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶 解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变 化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的 所有化学品）并旋转甩干。

优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。

（2）显影液

a、正性光刻胶的显影液。正胶的显影液位碱性水溶液。KOH和NaOH因为会带来可 动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度 15～250C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻 胶（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显 影液中。整个显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。

b、负性光刻胶的显影液。二甲苯。清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

（3）显影中的常见问题

a、显影不完全（Incomplete Development）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；

b、显影不够（Under Development）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；

c、过度显影（Over Development）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。

9、硬烘（Hard Baking）

（1）方法

热板，100～1300C（略高于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

（2）目的

a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂 光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；

b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；

c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；

d、进 一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。

（3）常见问题

a、烘烤不足（Underbake）。减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中 的阻挡能力）；降低针孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低与基底的黏附能力。

b、烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。

另外还可以用深紫外线（DUV，Deep Ultra-Violet）坚膜。使正性光刻胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，增加光刻胶的热稳定性。在后面的等离子刻蚀和离子注入（125～2000C）工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。

五、光刻（Photo）工艺的技术要点

由于光刻作为半导体制造的核心环节，其技术演进（如EUV光刻、多重曝光）持续推动芯片制程向更小节点突破，所以此工艺也有自己的技术要点：

1、多层光刻胶应用‌

通过组合不同性质的光刻胶层，可提升陡直度、减少线宽误差（CD白边）和底部残留，增强后续刻蚀效果。

‌2、精度控制‌

光刻胶厚度、曝光剂量、光学系统校准等参数共同决定最终图案的分辨率和保真度，直接影响芯片集成度与性能。

六、光刻（Photo）工艺技术的分类

1、接触式光刻与接近式光刻

接触式光刻是指光刻胶与掩模直接接触进行曝光的光刻技术。在这种方法中，掩模上的图案直接转移到光刻胶上，实现高精度的图案复制。由于接触式光刻中掩模与光刻胶紧密接触，因此可以获得较高的分辨率。然而，这种方法也存在一些缺点，如掩模与光刻胶之间的摩擦可能导致掩模和光刻胶的损伤，从而影响图案的质量。

接近式光刻则是通过光学系统将掩模与光刻胶表面保持一定距离进行曝光的光刻技术。这种技术避免了掩模与光刻胶的直接接触，从而减少了掩模和光刻胶的损伤。然而，由于存在衍射效应，接近式光刻的分辨率通常低于接触式光刻。此外，为了保持一定的曝光均匀性，接近式光刻通常需要使用更复杂的光学系统。

2、投影式光刻技术的进展

投影式光刻技术作为半导体制造中的核心技术之一，近年来取得了诸多进展，这些进展不仅推动了半导体工艺的不断进步，也为电子产品性能的提升奠定了坚实基础。

（1）技术原理与分类

投影式光刻技术利用光学-化学反应原理，将设计好的微图形结构通过投影方式转移到覆有感光材料的晶圆等基材表面上。根据使用光源和操作方式的不同，投影式光刻机可分为多种类型，如激光光刻机、极紫外（EUV）光刻机等。

（2）技术进展

a. 分辨率提升

随着半导体工艺节点的不断缩小，投影式光刻机的分辨率也在持续提升。目前，先进的EUV光刻机已经能够实现5纳米甚至更小线宽的制造，这对于提高芯片性能和功耗比具有重要意义。

b. 光源技术革新

EUV光刻技术的引入是投影式光刻机的一大突破。EUV光源能够穿透传统光刻技术难以达到的深紫外波段，从而显著提高光刻效率和精度。此外，随着LED等新型光源技术的发展，基于UV-LED的显微镜投影光刻（MPP）等低成本、高分辨率的制造技术也开始崭露头角。

c. 投影物镜优化

投影物镜是光刻机的核心部件之一，其性能直接影响光刻精度和效率。近年来，通过改进物镜的设计和制造工艺，如采用更先进的材料和工艺、优化物镜的像差校正等，投影式光刻机的成像质量得到了显著提升。

d. 自动化与智能化升级

随着人工智能和机器学习技术的发展，投影式光刻机逐渐实现了更高级别的自动化和智能化。通过引入先进的控制系统和算法，光刻机能够自动调整工艺参数、优化光刻过程，从而提高生产效率和产品质量。

e. 成本降低与广泛应用

随着技术的不断成熟和市场竞争的加剧，投影式光刻机的成本逐渐降低，使其在更广泛的领域得到应用。除了传统的芯片制造领域外，投影式光刻技术还开始应用于微机电系统（MEMS）、光电子器件等新兴领域。

七、光刻（Photo）工艺技术的挑战与解决方案

1、线宽控制与分辨率的挑战

a. 线宽调整

线条宽度的调整直接影响图形的视觉效果和精确度。在复杂图形中，精确控制线宽是一项挑战，需要算法的支持和硬件的协助。

b. 分辨率优化

提高分辨率可以增强图像的清晰度，但高分辨率的图像在处理和存储时都会带来更大的挑战。特别是在线宽控制方面，高分辨率图像可能需要更精细的处理。

c. 软件算法

为了实现在线宽调整和分辨率优化过程中的实时处理，软件算法的研究和优化是必不可少的。这包括图像处理算法、图形渲染算法等。

d. 硬件支持

硬件性能的提升对于处理高分辨率图像和精确控制线宽至关重要。高效的处理器、充足的内存和快速的存储设备都是必要的。

e. 应用场景

不同的应用场景，如打印、显示、出版等，对图形的线宽和分辨率有不同的要求。因此，需要根据具体应用场景制定相应的线宽控制与分辨率优化策略。

f. 跨平台兼容性

确保线宽控制与分辨率优化在不同操作系统和设备上的兼容性是一项挑战。需要开发适用于多种平台和设备的解决方案。

g. 用户交互

提供直观易用的界面，方便用户进行线宽和分辨率的调整，同时确保用户能够理解和控制这些参数对图形质量的影响

h. 性价比

在保证图形质量的前提下，降低成本、提高产品性价比是另一个需要考虑的挑战。这包括优化算法以减少计算资源消耗、使用更经济的硬件等。

2、光刻设备的精度、性能与稳定性提升

光刻设备在半导体制造中扮演着至关重要的角色。随着技术的不断进步，光刻设备的精度、性能已经提升至纳米级别，这意味着它能够在微小的芯片表面上精确地雕刻出复杂的电路图案。

同时，光刻设备的稳定性也得到了显著增强，确保了在长时间、高强度的生产过程中，光刻过程的高效性和稳定性。

这种精度、性能与稳定性的提升，得益于先进的制造工艺和精密的控制系统。光刻设备采用了高精度的激光器和光学系统，能够确保光线的精确聚焦和定位。此外，通过先进的控制系统和算法，光刻设备能够实时监测和调整工艺参数，从而确保每一片芯片都达到最佳的质量标准。

八、光刻（Photo）工艺技术的未来发展方向

1、极紫外光刻（EUV）

EUV技术在高成本与复杂技术间找寻平衡，持续开拓其应用领域。

2、多重曝光

为了打破目前光刻分辨率的桎梏，多重曝光工艺逐步被引入，成为提升图案精度的研究热点。

3、新型光刻胶

开发高性能光刻胶以提升整个工艺的精度和稳定性。

4、环保措施

光刻所需材料及其生产对环境的影响不容忽视，因此开发环保材料与工艺变得日益重要。

写在最后面的话

随着科技的不断进步，光刻（Photo）工艺技术也在不断 evolución。如准分子光刻技术（MLA）和极紫外光刻技术（EUV）正逐步应用于半导体制造，极大提升了分辨率和特征尺寸，推动了芯片技术的进步。

光刻（Photo）工艺技术的创新不仅限于设备的提升，更体现在与新兴技术的结合，譬如人工智能助力芯片设计与制造的智能化。AI能够通过算法优化图案设计，提高整体制造效率，进一步推动光刻（Photo）工艺技术的进展。

在实用层面，光刻（Photo）工艺技术的应用广泛，不仅限于个人电子设备，如智能手机、平板电脑，还广泛应用于汽车电子、物联网设备等多个领域，成为现代科技的基石之一。

然而，随着对更高技术要求的不断演进，光刻（Photo）工艺技术也面临着材料和成本上的挑战。如何在保证制造精度的同时降低生产成本，成为行业内亟待解决的问题。

总而言之，光刻（Photo）工艺技术作为半导体制造的核心工艺，其背后的原理和不断进化的方法不仅影响着电子产品的发展，同时也在推动科技的前行。对这一技术的深入研究与应用探索，势必将对未来半导体行业产生深远影响。所以，光刻（Photo）工艺技术依然是半导体领域一颗璀璨的明珠！

来源：爱在七夕时