來源：半導體工藝與設備

光刻是一種圖像復制技術，是集成電路工藝中至關重要的一項工藝。簡單地說，光刻類似照相復制方法，即將掩膜版上的圖形精確地復制到涂在硅片表面的光刻膠或其他掩蔽膜上面，然后在光刻膠或其他掩蔽膜的保護下對硅片進行離子注入、刻蝕、金屬蒸鍍等。

光刻技術與芯片的價格和性能密切相關。光刻的最小線寬直接決定器件的最小特征尺寸，器件的特征尺寸越小，在一個硅片上就可以集成越多的器件。隨著光刻的技術不斷發展，線寬不斷縮小，每個硅片上器件數目就越來越多，這樣，單位器件的成本就不斷降低，而且單個硅片上集成更多的器件也意味著可以使電子產品實現更多的功能以及更好的性能。當然這種比較是假定在各種光刻系統的成本不變，只考慮了單位硅片成本的基礎上進行的。

事實上，隨著每一代線寬的改變，***、掩膜版、光刻膠等的成本也在發生變化，而且對下一代的光刻工藝來說，其光刻系統的價格往往更加昂貴。即使如此，人們仍在不斷追求越來越細的線寬，追求產品在性價比上的提升。目前，集成電路已經從20世紀60年代的每個芯片上僅幾十個器件發展到現在的每個芯片上可包含約10億個器件，其增長過程遵從摩爾定律，這與光刻技術的發展密不可分。

光刻技術的不斷發展為集成電路技術的進步提供了三方面的保證：第一，大面積均勻曝光，在同一塊硅片上能同時做出大量器件和芯片，保證了批量化的生產水平；第二，圖形線寬不斷縮小，集成度不斷提高，生產成本持續下降；第三，由于線寬的縮小，器件的運行速度越來越快，集成電路的性能不斷提高。

一個典型的光刻工藝流程包括襯底制備、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕、去膠等。

1.光學光刻技術

光刻技術是一種精密的微細加工技術。常規光刻技術是采用波長為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光刻蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質層上的一種工藝。

在廣義上，光刻包括光復印和刻蝕工藝兩個主要方面：

1、光復印工藝：經曝光系統將預制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預涂在晶片表面或介質層上的光致抗蝕劑薄層上。

2、刻蝕工藝：利用化學或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質層除去，從而在晶片表面或介質層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復進行。例如，大規模集成電路要經過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

光刻技術在狹義上，光刻工藝僅指光復印工藝。

光刻技術

光刻是通過光的照射用投影方法將掩模上的大規模集成電路器件的結構圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，光刻膠的成分發生化學反應，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統能獲得的分辨率直接相關，而減小照射光源的波長是提高分辨率的最有效途徑。基于此，開發新型短波長光源***一直是各個國家的研究熱點。

除此之外，根據光的干涉特性，利用各種波前技術優化工藝參數也是提高分辨率的重要手段。這些技術是運用電磁理論結合光刻實際對曝光成像進行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術、鄰近效應校正等。運用這些技術，可在目前的技術水平上獲得更高分辨率的光刻圖形。

2.電子束光刻

電子束光刻技術是微型技術加工發展的關鍵技術，他在納米制造領域中起著不可替代的作用。電子束光刻主要是刻畫微小的電路圖，電路通常是以納米微單位的。電子束光刻技術不需要掩膜，直接將會聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。

電子束光刻技術要應用于納米尺度微小結構的加工和集成電路的光刻，必須解決幾個關鍵的技術問題：電子束高精度掃描成像曝光效率低；電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現象造成的鄰近效應；在實現納米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術問題。

實踐證明，電子束鄰近效應校正技術、電子束曝光與光學曝光系統的匹配和混合光刻技術及抗蝕劑曝光工藝優化技術的應用，是一種提高電子束光刻系統實際光刻分辨能力非常有效的辦法。

電子束光刻最主要的就是金屬化剝離。

第一步是在光刻膠表面掃描到自己需要的圖形；

第二步是將曝光的圖形進行顯影去除未曝光的部分；

第三步在形成的圖形上沉淀金屬；

第四步將光刻膠去除。在金屬剝離的過程中，關鍵在于光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠，這樣有利于膠劑的滲透，形成清晰的形貌。

3.聚焦離子束光刻

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，她的原理與電子束光刻相近，不過是有電子變成離子。

目前商業用途系統的離子束為液態金屬離子源，金屬材質為鎵，因為鎵元素具有熔點低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計算機等硬設備，外加電場于液相金屬離子源可使液態鎵形成細小尖端，再加上負電場(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割之目的。

在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發出的二次電子和二次離子是影像的來源，影像的分辨率決定于離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號的強度、試片接地的狀況、與儀器抗振動和磁場的狀況，目前商用機型的影像分辨率最高已達 4nm，雖然其分辨率不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對于定點結構的分析，它沒有試片制備的問題，在工作時間上較為經濟。

聚焦離子束投影曝光除了前面已經提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應之外還包括焦深大于曝光深度可以控制。離子源發射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數值孔徑只有0.001，其焦深可達100μm，也就是說，硅片表面任何起伏在100μm之內，離子束的分辨力基本不變。而光學曝光的焦深只有1～2μm為。她的主要作用就是在電路上進行修補 ，和生產線制成異常分析或者進行光阻切割。

4.EUV 光刻技術

在微電子技術的發展歷程中，人們一直在研究開發新的IC制造技術來縮小線寬和增大芯片的容量。我們也普遍的把軟X射線投影光刻稱作極紫外投影光刻。在光刻技術領域我們的科學家們對極紫外投影光刻EUV技術的研究最為深入也取得了突破性的進展，使極紫外投影光刻技術最有希望被普遍使用到以后的集成電路生產當中。它支持22nm以及更小線寬的集成電路生產使用。

EUV是目前距實用化最近的一種深亞微米的光刻技術。波長為157nm的準分子激光光刻技術也將近期投入應用。如果采用波長為13nm的EUV，則可得到0.1um的細條。

在1985年左右已經有前輩們就EUV技術進行了理論上的探討并做了許多相關的實驗。近十年之后微電子行業的發展受到重重阻礙才致人們有了憂患意識。并且從微電子技術的發展過程能判斷出，若不早日推出極紫外光刻技術來對當前的芯片制造方法做出全面的改進，將使整個芯片工業處在岌岌可危的地步。

EUV系統主要由四部分構成：極端紫外光源；反射投影系統；光刻模板（mask）；能夠用于極端紫外的光刻涂層（photo-resist）。

極端紫外光刻技術所使用的***的對準套刻精度要達到10nm，其研發和制造原理實際上和傳統的光學光刻在原理上十分相似。對***的研究重點是要求定位要極其快速精密以及逐場調平調焦技術，因為***在工作時拼接圖形和步進式掃描曝光的次數很多。不僅如此入射對準光波信號的采集以及處理問題還需要解決。

5.X射線光刻技術

X射線波長極短，使得其不會發生嚴重的衍射現象。我們在使用X射線進行曝光時對波長的選擇是受到一定因素限制的，在曝光過程中，光刻膠會吸收X射線光子，而產生射程隨X射線波長變化而相繼改變的光電子，這些光電子會降低光刻分辨率，X射線的波長越短，光電子的射程越遠，對光刻越不利。因此增加X射線的波長有助于提高光刻分辨率。然而長波長的X射線會加寬圖形的線寬，考慮多種因素的影響，通常只能折中選擇X射線的波長。

今年來的研究發現，當圖形的線寬小到一定程度時（一般為0.01μm以下），被波導效應影響，最終得到的圖形線寬要小于實際掩模圖形，因此X光刻分辨率也受到掩模版與晶圓間距大小的影響。

除此之外，還需要大量的實驗研究來解決X射線光刻圖形微細加工時對圖形質量造成影響的諸多因素。

X射線光刻掩模

在后光學光刻的技術中，其最主要且最困難的技術就是掩模制造技術，其中1：1的光刻非常困難，是妨礙技術發展的難題之一。所以說，我們認為掩模開發是對于其應用于工業發展的重要環節，也是決定成敗的關鍵。在過去的發展中，科學家對其已經得到了巨大的發展，也有一些新型材料的發現以及應用，有一些已經在實驗室中得以實踐，但對于工業發展還是沒有什么重大的成就。

X射線掩模的基本結構包括薄膜、吸收體、框架、襯底，其中薄膜襯基材料一般使用Si、SiC、金剛石。吸收體主要使用金、鎢等材料，其結構圖如圖所示：

6.納米壓印光刻技術

納米壓印技術是美國普林斯頓大學華裔科學家周郁在20 世紀1995 年首先提出的。這項技術具有生產效率高、成本低、工藝過程簡單等優點, 已被證實是納米尺寸大面積結構復制最有前途的下一代光刻技術之一。目前該技術能實現分辨率達5 nm以下的水平。

納米壓印技術經過多年發展，從最初的熱壓印技術，到紫外固化納米壓印技術再到后來衍生出的軟膜復型技術、微接觸印刷術、激光輔助直接壓印技術等，新的納米壓印技術不斷被開發和完善，納米壓印技術在微納加工領域也占有越來越重要的位置。

納米壓印技術是加工聚合物結構最常用的方法, 它采用高分辨率電子束等方法將結構復雜的納米結構圖案制在印章上, 然后用預先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結構圖案。

審核編輯：湯梓紅