1. 光刻技术：集成电路制造皇冠上的明珠1.1 光刻工艺历史：传承与革新并存的光影游戏光刻是集成电路制造的核心环节，现代光刻的核心理念源自于经典的多重套刻集 成电路诞生于20 世纪60 年代的美国，经过50 余年的发展，如今制程节点早已从 最初的 20 微米左右，跨过微米时代，进入纳米与亚纳米时代以光刻技术使用的 光学镜头为例，从最初使用照相设备类似的放大镜头，到如今直径可达半米，重达数 百公斤的巨型镜头组J2= 4图1 : ASML浸没式DUV光刻系统TWINSCAN 2050i使用的Carl Zeiss光学镜组Startlith 1982i光刻流程的核心思想是将掩模版上承载的集成电路的图案信息转移到载体晶圆上这一过程的思想来源于历史悠久的印刷术，但是与印刷术不同，光刻工艺并非使用油 墨为介质，而是借助光敏物质在受到光照（曝光）后发生的化学变化，完成这一信息 的转移现代意义上的光刻（photolithography）,最早起始于1798年的德国慕尼黑, 当时阿罗约•塞内菲德勒Alois Senefedler）在发行出版自己的作品过程中发现，如 果使用油性铅笔将插图画在多孔的石灰石上,并且将没有画到的地方用水浸湿,由于 油性墨水不溶于水的特性，会与水相互排斥，后续墨水只会吸附在油性铅笔画过的地 方。
这种技术被叫做lithography它成为了后来现代多重套印的基本思路，并一直传 承至今在集成电路制造业中，光代替上述过程中的油性铅笔，就像油性的墨水会选择性沉 积在石灰石上，光智能透过掩模版上的透明区域光是光刻工艺的重要媒介，它自身 的物理性质决定了工艺所能达到的极限分辨率按照光路的不同，主流曝光方式可以 分为三种，接触式曝光、接近式曝光以及投影式曝光最早出现的方式是投影式与接 近式曝光，二者没有本质的区别，并且在DUV出现之前，一直是晶圆制造业的主 流图2 :光刻工艺中主流曝光方式光路示意图接触式投影式对于接触式曝光而言，由于掩模版和和硅片上部界面之间没有间隙，因而不存在分 辨率的的问题然而接触会引发掩模版和光刻胶的磨损，增加缺陷发生的可能，因此 产生了接近式曝光接近式曝光避免了磨损带来的缺陷，但是由于空隙和光散射的存 在，接近式曝光的分辨率在当时条件下被限制在了3um以上接近式曝光的理论 分辨率极限是dCD=k vA( g+ _)2其中k代表光刻胶参数，通常取值在1〜2之间CD (Critical Dimension)代表最 小尺寸，一般对应最小能够分辨的周期线宽入是曝光使用的光源的波长。
掩模版 到光刻胶表面的距离用g表示，通常大于10um从公式可知，在使用当时主流的 450nm光源下，极限分辨率在3 u m，而接触式曝光下，这一极限为0.7 um当前主流的投影式曝光的诞生，弥补了接触式曝光与接近式曝光的不足，突破缺陷 与分辨率的双重限制光学透镜组被引入到光刻胶与掩模版之间，这种情况下，投 影式曝光方式中，光学分辨率可以有著名的瑞利公式决定：久CD= k1NA其中CD与入和上文公式中对应的变量意义相同；k1是一个与光刻过程本身相关的 系数，业内目前关于k1可以达到的极小值是0.25； NA是投影/扫描装置的数值孔 径，如果介质是空气或者真空，那么NA在数值上就等于其物镜在像空间的最大半 张角的正弦值NA反映了光学组件对光的收集能力NA=nsin 0提高系统分辨率的方式有三种，使用波长更短的光源，增大数值孔径，以及减小工艺系数叫其中改变光源的波长最为容易，随着制程的推进，光刻系统的光源从高 压汞灯，演进为准分子激光光源KrF、ArF）与最新的基于激光诱导等离子LPP） 极深紫外光源（EUV）增大数值孔径通常需要改变光学组件的直径或者改变介质 的折射率图4 ：光刻光源随晶圆制程的演进过程图3 ：光谱波长频段对应关系■ IJ1IIXLLIUI IINF^EOEjUD3£ rj FMI *iWWVWVWWVWXZvl■ I II I I I I ■ ■ « I I ■ ■ ■ ' I Inm BEflnn ErSCnm 7M t«hgmEU¥i 殛 1$S5 询 90 !9?5 2DOD 2OT5 MW 2020主严年怙+技术节.点 —屈光被怏皿mOJS-Epm krF WnmArF表1 ：光刻机发展历程及其应用制程简述光源波长/nm曝光类型制程汞灯（g-line）436接触/接近式3.0-0.6 卩 m汞灯（i-line）365接触/接近式0.6-0.25 卩 mKrF248扫描投影式0.18-0.13 卩 mArF193步进投影式-干式130-65nm浸没步进式45-7nmEUV (LPP)13.5反射扫描步进式Sub 7nm摩尔定律描述的晶圆制造工艺是持续迭代演进的过程，而演进中技术路线的分歧点 会催生新的行业龙头。
光刻工艺的演进并不是一帆风顺的，对行业影响最深远的一 次技术分歧是DUV时代中157nm干法光刻与193nm浸没式光刻的岔路口基于 分子激光的光源微缩至ArF的193nm时，尼康为首的光刻机制造商主推基于F2的 157nm光源这种光源可以提高20%左右的分辨率，但是存在下列缺点♦镜组使用的光学材料在157nm时均为高吸收态，吸收激光辐射后升温膨胀，产 生形变造成球面像差因此必须使用CaF2制造镜组然而CaF2镜组使用寿命 短，且核心技术在尼康手中，产能较低，无法满足大规模应用的要求♦由于ArF的使用的光刻胶在157nm均有强吸收，光刻胶需要重新进行开发，投 入产出比较低此时，台积电工程师林本坚提出基于现有93nm ArF浸入式光刻的概念由于这一 理念是基于现有设备加以改造，对于光源与透镜组系统的改动较小，ASML第一个 响应了林本坚与台积电的这一提案oASML的这一决定为其在45nm以下时代取得 了市场先发优势，为期在先进制程的统治地位奠定了基础随着制程推进至7nm以下，伴随EUV时代的来临，已知光学材料对极深紫外均有 强吸收EUV光刻机中光学组件不再使用基于透射式的光路设计，而是改为使用反 射镜搭建光路。
图7 : ASML NXE3400 EUV光刻系统光路示意图。