《光刻机的基本原理第一章》
1.1 光刻技术的起源与发展
光刻技术的起源可追溯到20世纪中叶，彼时半导体行业刚刚兴起，对精细电路加工的需求催生了光刻的雏形。1947年贝尔实验室发明第一只点接触晶体管 ，成为光刻技术发展的导火索，当时计算机的广泛应用使得芯片需求大增，光刻技术作为芯片制造关键环节被迅速重视。
20世纪50年代，光刻技术处于萌芽探索阶段，各种光刻手段层出不穷，但因当时对分辨率要求不高，器件结构也较为简单。1959年第一台晶体管计算机的出现以及仙童半导体提出规范的光刻工艺，开启了接近式光刻机的发展。此后光刻技术不断演进，从实验室走向生产线，集成电路芯片技术的发展促使芯片尺度不断缩小、晶体管数量持续增多，光刻技术也在分辨率提升上不断突破。
从最初的接触式光刻，到接近式光刻，再到如今主流的投影式光刻，光刻技术在光源、曝光方式等方面持续革新。光源从早期的汞灯紫外光，发展到深紫外波段准分子激光，如193nm的ArF激光，甚至极紫外（EUV）光 ；曝光方式也从简单的接触、接近式，发展为扫描投影、步进投影等复杂且高精度的方式，以满足不断提升的芯片制造需求。
1.2 光刻机的关键组成部分
1.2.1 光源系统
光源是光刻机的核心组件之一，其特性直接影响光刻的分辨率和效率。常见的光源有紫外（UV）光、深紫外（DUV）光以及极紫外（EUV）光等 。不同波长的光源适用于不同的芯片制造工艺节点，例如早期的G-line汞灯，波长436nm，适用于较大线宽的集成电路制造；而如今先进制程中广泛使用的ArF准分子激光，波长193nm，能够实现更小线宽的加工 。EUV光源则更为先进，波长仅13.5nm，可满足7nm及以下先进制程的高精度光刻需求。
1.2.2 光学系统
光学系统犹如光刻机的“眼睛”，负责将光源发出的光进行精确聚焦和投影，把掩模版上的图案清晰地成像在硅片的光刻胶上。它包含多个高精度的透镜和反射镜，这些光学元件需要具备极高的光学性能和制造精度，以确保光线在传播和投影过程中的损耗最小、成像质量最高。例如，为了实现高分辨率光刻，光学系统的数值孔径需要不断提高，这对透镜的设计和制造工艺提出了极大挑战 。
1.2.3 掩模/光罩系统
掩模版是承载芯片电路图案的关键部件，根据芯片设计文件制作而成，上面刻有极其精细的电路图案。它采用光学透光材料，光线透过掩模版上的图案区域，照射到硅片的光刻胶上，从而实现图案转移。掩模版的制作精度要求极高，任何微小的缺陷都可能导致芯片制造失败，其成本也非常高昂 。
1.2.4 晶圆平台与对准系统
晶圆平台用于承载硅片，并能够精确地控制硅片的位置和移动，确保在光刻过程中硅片与掩模版的相对位置准确无误。对准系统则是保证掩模版上的图案与硅片上已有的电路图案或标记精确对准，这对于制造多层集成电路尤为重要，多层电路之间的对准精度要求达到纳米级别 。
1.2.5 控制系统
控制系统如同光刻机的“大脑”，负责协调各个部件的工作，保证光刻过程的精确性、稳定性和重复性。它能够根据预设的程序和参数，精确控制光源的开启与关闭、曝光时间、晶圆平台的移动、光学系统的聚焦等一系列操作，同时还能实时监测和调整光刻过程中的各种参数 。
1.3 光刻机的工作流程
1.3.1 晶圆预处理
在光刻之前，需要对硅片表面进行严格的清洗和预处理，去除表面的杂质、颗粒和有机物等污染物，确保硅片表面的洁净度。这一步骤通常采用化学清洗和去离子水冲洗等方法，以保证后续光刻胶能够均匀地涂覆在硅片表面 。
1.3.2 光刻胶涂布
将光刻胶均匀地涂覆在经过预处理的硅片表面，形成一层厚度均匀的光刻胶薄膜。光刻胶是一种对特定波长光线敏感的材料，根据其特性可分为正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶在曝光后会变得可溶于显影液，而负性光刻胶则相反。涂布光刻胶的方法有旋转涂布、喷涂等，旋转涂布是最常用的方法，通过精确控制旋转速度和时间来控制光刻胶的厚度 。
1.3.3 对准与曝光
将涂有光刻胶的硅片放置在光刻机的晶圆平台上，通过对准系统将掩模版上的图案与硅片上的位置精确对准。对准完成后，开启光源，光线透过掩模版上的图案区域照射到光刻胶上，使光刻胶发生光化学反应。曝光过程中，需要精确控制曝光时间和曝光能量，以确保光刻胶的反应程度恰到好处，保证图案转移的精度和质量 。
1.3.4 显影与刻蚀
曝光后的硅片进入显影环节，使用特定的显影液去除曝光或未曝光的光刻胶部分，从而在光刻胶上形成与掩模版图案一致的图形。显影完成后，通过刻蚀工艺去除没有光刻胶保护的硅片区域，留下图案化的电路结构。刻蚀方法有干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀通常采用等离子体刻蚀技术，具有更高的精度和选择性，在先进制程中应用广泛 。
1.3.5 去胶与检验
刻蚀完成后，去除硅片表面剩余的光刻胶，一般采用等离子体去胶或化学去胶的方法。最后对光刻后的硅片进行全面检验，通过光学显微镜、电子显微镜等设备检查图案的完整性、尺寸精度以及是否存在缺陷等，确保芯片制造符合质量标准 。
|
