光刻

光刻是一种制造工艺，利用光在基底上的感光涂层中形成图案，这种涂层称为光刻胶。曝光会改变涂层的化学性质；随后通过显影选择性地去除部分涂层，得到具有图案的膜层，用于后续加工。光刻是半导体制造的核心工艺，通过反复进行图案化加工，在硅晶圆上构建集成电路。曝光本身通常并不刻蚀晶圆，而是形成光刻胶图案，供独立的材料去除或改性步骤使用。(asml.com)

基本原理与材料

光刻将光学成像与选择性化学处理相结合。在使用掩模的方法中，待复制的图案由光掩模承载，光掩模也称为掩模版。常规紫外光掩模通常由透明玻璃板或石英板构成，其上分布着具有特定图案的不透明区域。曝光系统可以在靠近基底的位置照射掩模，也可以利用光学系统将掩模图像投射到光刻胶上。无掩模系统则直接根据数字设计数据生成曝光图案。(epfl.ch)

曝光区域与未曝光区域之间的差异取决于光刻胶和显影液：

• **正性光刻胶：**曝光使其在所选显影液中的溶解度增大，因此曝光区域被去除。
• **负性光刻胶：**曝光使其溶解度降低，因此曝光区域保留下来，周围材料则被去除。

这些术语描述的是显影后的图案，并不意味着曝光会直接增加或去除材料。光刻胶的化学特性、曝光条件和热处理共同决定最终图案的尺寸与轮廓。(epfl.ch)

光刻胶不仅需要具备光敏性，还必须能够附着于基底、形成足够均匀的薄膜、分辨所需的几何图形，并耐受其作为掩模时所涉及的加工过程。烘烤不足、污染或附着不良可能导致膜层剥离、气泡、残膜或分辨率下降。(microchemicals.com)

工艺流程

典型的光刻流程包括以下操作，但具体工艺可能省略或调整其中某些步骤：

1. **表面处理与涂胶。**对基底进行预处理并涂覆光刻胶，通常采用旋涂。
2. **软烘。**通过加热降低残留溶剂的含量，使涂层稳定。
3. **对准与曝光。**将掩模与晶圆对准，然后对光刻胶进行图案化曝光。
4. **曝光后处理与显影。**根据光刻胶化学体系的需要进行曝光后烘烤，再依次显影、漂洗和干燥。
5. **检查或进一步烘烤。**检查显影后的图案；部分工艺会采用硬烘，以提高图案的耐久性。

曝光剂量、烘烤条件和显影液由光刻胶配方及预期用途决定。硬烘并非在所有情况下都有益：它可能改变光刻胶的轮廓，并使后续去胶更加困难。(fabweb.ece.illinois.edu)

显影后的光刻胶随后充当临时掩模。在刻蚀过程中，未受光刻胶保护区域的材料被去除。在离子注入过程中，掩模限制掺杂离子进入基底的位置，从而帮助确定半导体掺杂的空间分布。完成所需加工后，再去除光刻胶。使用不同图案重复这些操作，就能逐层构建器件。(note.com)

曝光方式

接触式曝光将掩模贴在涂有光刻胶的基底上，以近似相同的比例复制图案。这种方式不需要复杂的投影光学系统，但颗粒或接触不充分可能造成局部间隙，降低成像质量。接近式曝光则有意在掩模与基底之间保留一个小间隙；光在间隙中传播时会产生额外的衍射，限制图案的保真度。这两种方式都用于掩模对准曝光机。(epfl.ch)

投影式曝光在晶圆上形成掩模版的光学图像，通常采用缩小成像。步进重复系统依次曝光晶圆上的各个曝光场；步进扫描系统则在扫描掩模版和晶圆的同时完成各曝光场的曝光。掩模无需接触光刻胶，成像过程可通过照明系统和投影光学系统加以控制。(asml.com)

无掩模光学光刻直接根据数字图案对光刻胶曝光，例如采用扫描激光。这种方法不需要制作实体光掩模，适用于科研和设计频繁变更的场景。即使使用相同的设计文件格式，这种光学直写方法仍与电子束光刻不同。(nanofab.ualberta.ca)

分辨率与聚焦

投影光刻中广泛使用的一个尺度关系为

其中，$R$ 表示可分辨的特征尺寸，$\lambda$ 为曝光波长，$\mathrm{NA}$ 为数值孔径，$k_1$ 则表征与工艺相关的影响。缩短波长、提高数值孔径，以及改进成像和光刻胶工艺，都可以减小可印制的尺寸。这一关系用于指导尺度变化，而不能完整预测所有形状或版图的成像结果。(asml.com)

横向分辨率的提高伴随着更严格的聚焦要求。相应的近似关系为

其中，$\mathrm{DOF}$ 为焦深，$k_2$ 取决于工艺及可接受的图像质量。因此，提高数值孔径会显著缩小聚焦容差。晶圆翘曲、表面形貌和光刻胶厚度也因此变得重要，因为光刻胶的不同部位到最佳焦平面的距离可能不同。所以，分辨率与聚焦裕量必须一并评估。(lithoguru.com)

曝光波长与浸没式光刻

重要的曝光光源包括汞灯和准分子激光器：

向更短波长的转变需要同时改变光源、光学材料和光刻胶，而不只是更换一盏灯。(asml.com)

浸没式光刻通过在最后一个光学元件与晶圆之间引入高度纯化的水，扩展了 193 nm 曝光技术的能力。液体的折射率使系统能够获得高于空气间隙条件下的数值孔径；先进浸没式光学系统的数值孔径可达到 1.35。这种方法也带来了流体控制方面的挑战，包括可能干扰成像或与光刻胶相互作用的气泡和液滴。(asml.com)

极紫外光刻

极紫外光刻（EUV 光刻）使用波长约为 13.5 nm 的辐射。由于大多数材料会强烈吸收这种辐射，EUV 系统采用反射式掩模和多层膜反射镜，而非传统的透射式透镜，光路也必须在真空中运行。在激光产生等离子体的光源中，激光脉冲照射锡液滴，产生能够发射 EUV 辐射的等离子体。(asml.com)

EUV 在大幅缩短波长的同时，也对反射镜、掩模、光刻胶材料和污染控制提出了严格要求。高数值孔径 EUV 系统将数值孔径从 0.33 提高至 0.55，改善了光学分辨率，同时进一步收紧了聚焦和工艺要求。(asml.com)

计算校正与多重图案化

当尺寸很小时，显影后的光刻胶图案并不能精确复制掩模的几何形状。衍射以及物理、化学效应可能使线宽、拐角和其他特征发生畸变。计算光刻利用经过校准的模型预测这些效应，并调整掩模和曝光工艺。光学邻近效应校正有意改变掩模的几何形状，使实际形成的图案更接近预期设计。(asml.com)

多重图案化将难以实现的图案拆分为较简单的图案，分别加工后再组合成最终结构。它可以突破单次曝光所能达到的图案化能力，但也会增加加工步骤和套准要求。分辨率更高的光刻技术可以减少某些适用膜层对多重图案化的需求，但并不能在所有应用中完全取代它。(investor.asml.com)

历史发展

半导体制造中的光刻源于印刷术和印制电路生产所使用的照相制版技术。1955 年，贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯和沃尔特·邦德开始改进这些方法，在硅晶圆上的二氧化硅薄膜中形成精细开口。通过这些开口，可以向选定区域受控地引入杂质。(computerhistory.org)

杰伊·拉思罗普和詹姆斯·纳尔随后开发了用于微型电子结构的光刻技术，并于 1957 年提交了相关专利申请。在仙童半导体公司，杰伊·拉斯特和罗伯特·诺伊斯于 1958 年制造了一台早期的步进重复照相机，用于在一片晶圆上复制大量晶体管图案。这些进展将摄影式图案复制与半导体器件的可重复制造联系起来。(computerhistory.org)

局限与应用

除了最小特征尺寸，实际光刻还要求曝光和聚焦条件具有可用的工艺范围、尺寸保持一致，以及缺陷率足够低。在 EUV 波长下，光子到达和被吸收过程中的随机波动，加上光刻胶在分子尺度上的变异，可能造成边缘粗糙、断线、微小桥连或接触孔缺失。这些随机缺陷不同于可通过修改掩模加以校正的可重复畸变。(imec-int.com)

光刻也用于科研中的微加工和微流控，在这些应用中，具有图案的厚光刻胶层可用于形成通道或制造模具。接触式曝光、无掩模直写及其他光学方法并存，是因为不同应用对特征尺寸、光刻胶厚度、对准能力和生产规模的要求各不相同。电子束光刻是一种独立的图案化方法，使用电子而非光，微纳加工设施通常同时提供电子束光刻和光学光刻。(nanofab.ualberta.ca)

参考来源

1. Lithography principles - Technology | ASMLasml.com
2. Introduction to Photolitography ‒ Center of MicroNanoTechnology CMi ‐ EPFLepfl.ch
3. ECE Illinois - ece444: Mask Level 1 Processfabweb.ece.illinois.edu
4. Photolithography Trouble Shootermicrochemicals.com
5. 〖How we innovate〗02: Semiconductor Manufacturing Processes and ASML's Proud Lithography Technologynote.com
6. Advanced Lithography | nanoFABnanofab.ualberta.ca
7. Figure 1-3 Photolithography workflowpure.tue.nl
8. The Rayleigh criterion for resolution | ASMLasml.com
9. Understanding focus effects in submicron optical lithographylithoguru.com
10. Light & lasers - Lithography principles | ASMLasml.com
11. Lenses & mirrors - Lithography principles | ASMLasml.com
12. How immersion lithography saved Moore’s Law – Stories | ASMLasml.com