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的微雕藝術，不僅在過去幾十年里推動了科技的飛速發展，相信在未來的科技創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，為人類社會的發展貢獻更多的力量。