光刻胶行业深度：破壁引光小流成海.docx

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。

图1:ASML浸没式DUV光刻系统TWINSCAN2050i使用的CarlZeiss光学镜组Startlith1982i

资料来源：ASML公司官网，

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(AloisSenefedler)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

资料来源：ECE730atUnivofWaterloo,

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3μm以上。接近式曝光的理论分辨率极限是

其中k代表光刻胶参数，通常取值在1~2之间。CD(CriticalDimension)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10μm。从公式可知，在使用当时主流的450nm光源下，极限分辨率在3μm,而接触式曝光下，这一极限为0.7μm。

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：

其中CD与λ和上文公式中对应的变量意义相同；k?是一个与光刻过程本身相关的系数，业内目前关于k?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

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k?。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)与必威体育精装版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3:光谱波长频段对应关系

WISIBLELCHT

WISIBLELCHT

GAMMARAVSxRAYSUVNFRARED

0.00010,01010am10000n,1ar

400nm500nm600nm

iaim170m

700nm

资料来源：ASML公司官网