摘要：这类光刻技术能达到亚微米级的高分辨率，掩模图形与衬底上的曝光图形在尺寸上近乎一致，基本实现了1:1的比例复制。但是最小分辨率会受到上图公式的约束。并且掩模在曝光过程中易受污染，成为消耗品，但是由于这类光刻设备构造简单，维护成本较低，至今仍在小尺寸衬底的批量生产

半导体工程师 2025年02月07日 09:53 北京

光刻技术发展历程

光刻技术的进步历程涵盖了从接触/接近式光刻到光学投影光刻、步进重复光刻、扫描光刻、浸没式光刻，直至最新的极紫外（EUV）光刻，这一演变如图1所展示。

图1：光刻技术的发展历程

在光刻技术的分类与发展脉络中，接触/接近式光刻机是集成电路大规模生产的先驱，自20世纪60年代初便投身于生产实践。其基础分辨率R的计算公式如下：

图2

这类光刻技术能达到亚微米级的高分辨率，掩模图形与衬底上的曝光图形在尺寸上近乎一致，基本实现了1:1的比例复制。但是最小分辨率会受到上图公式的约束。并且掩模在曝光过程中易受污染，成为消耗品，但是由于这类光刻设备构造简单，维护成本较低，至今仍在小尺寸衬底的批量生产中占有一席之地，尤其适用于微米级器件的制造。

步入20世纪70年代后半程，投影光刻技术逐渐崭露头角，取代了接触/接近式光刻技术，成为制造尖端集成电路的核心光刻方法。该技术将掩膜版上的电路图形通过一个投影物镜成像，曝光衬底上的光刻胶，从而将掩模上的电路图案精准地投射到光刻胶层上，从而实现图形的复制与记录。最初，投影光刻机也沿用了1:1的掩模与衬底图形比例，并通过扫描方式完成曝光流程。然而随着集成电路特征尺寸的持续缩减以及衬底尺寸的日益扩大，步进式重复光刻机应运而生，它采用了更小的缩小比例，取代了原先的1:1扫描光刻模式。当集成电路的特征尺寸进一步缩小至0.25微米及以下时，由于集成度显著提升以及芯片面积的增大，这一变革显得尤为重要。单次曝光面积的需求也随之增长，这催生了步进扫描光刻机的出现。扫描曝光方式不仅能在光学系统尺寸保持相对稳定的条件下实现更大的曝光区域，还能借助误差平均化与补偿技术来优化曝光质量。在现今最前沿的10纳米技术节点，乃至未来规划的7纳米、5纳米技术节点的大规模集成电路生产中，步进扫描光刻技术依然占据核心地位。投影光刻机的基本分辨率计算公式综合了多项参数，确保了高精度图形的精确转移。如下

在光刻技术领域中，k1代表工艺因子，其理论上的极限值，基于射影成像原理，被限定为0.25。数值孔径NA，作为投影光刻机成像物镜的关键参数，与光源波长λ共同影响着光刻机的分辨率。从公式来看提升光刻机分辨率的理论及实践策略在于增大NA值、缩短波长λ，以及降低k1值。光刻技术所采用的主流光源波长经历了从g线（436nm）、i线（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）到极紫外线（EUV，13.5nm）的不断缩减。EUV光源代表了光刻技术可应用的波长极限，理论上可达6.8nm，然而，实现这一波长的EUV光刻机面临巨大的工程技术障碍。值得注意的是，EUV光刻机采用了与其他光刻机截然不同的全反射投影成像光学系统。当前，一台用于大规模集成电路生产的商用EUV光刻机，其市场价格已超过1亿美元，是集成电路生产线中最为昂贵且复杂的设备。目前，全球范围内，仅有ASML公司能够提供商用的EUV光刻机。

评价光刻机技术水平和经济效益的关键指标涵盖以下三个方面：

1）分辨率：它指的是光刻机将掩模上的电路图案精确转移至衬底上光刻胶层的最小特征尺寸能力，通常以该特征尺寸（如图3所示）的一半，即半间距来表示。特征尺寸越小，意味着光刻胶的分辨率越高。

2）套刻精度：这是指相对于上一层图形位置（或特定参考点），当前层图形预期位置与实际转印位置之间的偏差量度。

3）生产效率：光刻机的生产效率是衡量其经济性能的关键指标，通常以每小时（wph）或每天（wpd）能处理的光刻衬底数量来计量。

图3：特征尺寸示意图

接触/接近式光刻机

2025

接触式光刻技术起源于20世纪60年代，并在70年代得到了广泛应用，成为小规模集成电路制造的主流光刻方法，尤其适用于生产特征尺寸超过5微米的集成电路。在接触/接近式光刻设备中，晶圆片被安置在一个可手动调控水平和旋转的工件台上。操作人员通过分立视场显微镜同时观测掩模和晶圆片的位置，凭借手动操作调整工件台，实现掩模与晶圆片的精确对准。对准后，两者会被紧密贴合，确保掩模与晶圆片表面的光刻胶层直接接触。随后，移开显微镜物镜，将贴合的晶圆片与掩模送入曝光区域进行曝光。汞灯发出的光线经过透镜校准为平行光，照射在掩模上，由于直接接触，掩模上的图形会以1:1的比例精确转移到光刻胶层。

接触式光刻技术利用晶圆片与掩模的直接接触，有效减少了光的衍射，从而能够曝光出较小的特征尺寸。然而，这种直接接触也带来了问题，如晶圆片与掩模间的摩擦可能导致表面划痕，同时容易产生颗粒污染，这些都会严重影响半导体器件的质量。掩模上的划痕和污染也会缩短其使用寿命，降低晶圆片的成品率，进而增加生产成本。

尽管存在这些挑战，接触式光刻设备仍因其简单、经济的特性，以及能够实现亚微米级特征尺寸图形的曝光能力，而在小批量产品制造和实验室研究中得到持续应用。为了在大规模集成电路生产中避免直接接触带来的成本上升，接近式光刻技术应运而生。

接近式光刻技术在20世纪70年代的小规模和中规模集成电路时代早期得到了广泛应用。与接触式光刻不同，接近式光刻中掩模与晶圆片上的光刻胶层之间保持一定间隙，这个间隙由氮气填充。掩模悬浮在氮气层上，间隙大小由氮气气压控制。由于避免了直接接触，接近式光刻减少了光刻过程中引入的缺陷，降低了掩模损耗，提高了晶圆片成品率。然而，晶圆片与掩模之间的间隙使晶圆片处于菲涅耳衍射区域，衍射现象限制了接近式光刻设备的分辨率，因此该技术主要适用于特征尺寸大于3微米的集成电路生产。

步进重复光刻机

2025

步进重复光刻机在晶圆光刻技术的发展历程中占据着举足轻重的地位，它标志着光刻亚微米工艺正式步入大规模生产阶段。该设备采用典型的22mm x 22mm静态曝光视场，并配备缩小比为5:1或4:1的光学投影物镜，精准地将掩模图形复制到晶圆片上。图4直观展示了步进重复光刻机的工作原理。

图4：步进重复光刻机的原理示意图

步进重复光刻机的系统构成复杂而精细，包括曝光、工件台、掩模台、调焦/调平、对准、主框架、晶圆片传输、掩模传输、电子及软件等多个分系统，如图5所示。其典型工作流程如下：首先，晶圆片传输分系统将涂有光刻胶的晶圆片送至工件台，同时掩模传输分系统将待曝光掩模置于掩模台上；接着，调焦/调平分系统对晶圆片进行多点高度测量，确保曝光区域始终处于投影物镜的焦深范围内；然后，对准分系统实现掩模与晶圆片的精确对准，以满足图形转印的位置精度要求；最后，按预设路径逐步完成晶圆片整个表面的步进-曝光作业，实现图形的精准转印。图6详细描绘了这一工作流程。

图5：步进光刻机系统结构示意图

图6：步进光刻机工作流程图

技术进步推动了步进扫描光刻机在步进重复光刻机基础上的革新，它将步进-曝光模式进化为扫描-曝光模式，并在双工作台设计中实现了测量（包括调焦/调平、对准）与扫描曝光的并行作业。相比之下，步进重复光刻机省去了同步反向扫描掩模与晶圆片的步骤，因此无需配备扫描掩模台和同步扫描控制系统，结构更加精简，成本效益更高，运行稳定性也更强。然而，随着IC工艺进入0.25μm时代，步进扫描光刻机在扫描曝光视场尺寸和曝光均匀性方面的优势日益凸显，导致步进重复光刻机的应用范围逐渐缩小。目前，Nikon推出的最新型步进重复光刻机虽已具备与步进扫描光刻机相当的静态曝光视场，且每小时可处理超过200片晶圆片，生产效率极高，但其主要应用领域已转向IC的非关键层制造。图7展示了SMEE公司生产的步进重复光刻机实例。

图7：SMEE公司生产的步进重复光刻机

步进扫描光刻机

2025

步进扫描光刻机自20世纪90年代起便应用于半导体制造领域，其通过适配多种曝光光源，如365nm、248nm、193nm浸没式技术，乃至极紫外（EUV）光刻，支持了不同工艺技术节点的需求。与步进重复光刻机相比，步进扫描光刻机采用动态扫描方式进行单场曝光，即掩模与晶圆片同步移动完成扫描，随后晶圆片通过工件台步进至下一曝光位置，重复此过程直至整个晶圆片曝光完成。

步进扫描光刻机的投影物镜通常采用4:1的缩小比，意味着掩模图形是晶圆片图形的四倍大，因此掩模台的扫描速度也是工件台的四倍，且方向相反。图8，图9直观展示了步进扫描光刻机的工作原理。

图8：步进扫描示意图

图9：扫描曝光原理示意图

相较于步进重复光刻机，步进扫描光刻机的成像系统拥有更小的静态视场，这在一定程度上降低了投影物镜的制造难度。自0.18μm工艺节点（采用KrF光源）以来，高端光刻机制造商普遍采用扫描步进技术，并一直沿用至今。为满足高产出率与高成品率的需求，步进扫描光刻机要求运动台具备高速、高加速度以及纳米级的相对运动控制精度。例如，最先进的浸没式光刻机工件台扫描速度可达80mm/s，掩模台速度则高达3.2m/s，相对运动控制精度达到纳米级。因此，步进扫描光刻机的设计与开发面临较大挑战，需解决的核心技术包括整机动态稳定性控制、同步高精度运动控制等。图10展示了步进扫描光刻机的系统结构。

步进扫描光刻机通过配置多样化的光源，例如i线、KrF和ArF等，能够覆盖半导体前道工艺中的众多技术节点。自0.18微米节点起，硅基CMOS工艺便广泛采纳了扫描步进式光刻技术；如今，即便是7纳米以下的先进工艺节点，也依赖于EUV光刻机中的这一技术。此外，经过适当改造，扫描步进式光刻机还能支持MEMS、功率器件、射频器件等非硅基工艺的研发与生产。

在扫描步进式光刻机的制造领域，荷兰的ASML、日本的Nikon与Canon，以及中国的SMEE是主要玩家。ASML在2001年推出的TWINSCAN系列光刻机，凭借其双工件台系统架构，显著提高了生产效率，已成为当下应用范围最广的高端光刻机之一，具体如图11所示。

图10：步进扫描光刻机的系统结构示意图。

图11：ASML公司WINSCAN系列步进扫描光刻机

浸没式光刻机

2025

依据瑞利公式原理，提升成像分辨率的有效途径之一，是在曝光波长恒定的情况下，扩大成像系统的数值孔径。针对45nm及以下更精细的成像需求，ArF干式曝光技术因仅支持至65nm分辨率而显得力不从心，这时就需要引入浸没式光刻技术。传统光刻中，镜头与光刻胶间介质为空气，而浸没式光刻则革新性地用液体（常用折射率为1.44的超纯水）替代空气。这种技术实质上是利用光在液体中传播时波长缩短的现象（缩短比例等于液体折射率）来提升分辨率。尽管浸没式光刻机属于步进扫描光刻机范畴，且其基本系统架构未变，但因其融入了浸没式关键技术，故被视为ArF步进扫描光刻机的升级与延伸。图12直观展示了浸没式光刻的原理。

图12：浸没式光刻原理示意图

浸没式光刻的显著优势在于，通过增大系统数值孔径，显著增强了步进扫描光刻机的成像分辨力，足以应对45nm以下的工艺要求。相较于干式成像，浸没式成像在保持相同分辨率与对比度条件下，还能拓宽有效焦深范围。公式如下

此外，浸没式光刻技术继续沿用了成熟的ArF光源，这一决策不仅确保了工艺上的连贯性与稳定性，还显著减少了在光源、设备及工艺研发方面的成本投入。通过巧妙地结合多重图形技术和先进的计算光刻策略，浸没式光刻技术成功地在22纳米及以下工艺节点上找到了用武之地。在EUV光刻技术全面进入市场之前，浸没式光刻技术已经得到了广泛的推广和应用，并且完全有能力满足7纳米节点的工艺需求。然而，浸没液体的引入也给设备带来了前所未有的技术挑战，这些挑战包括但不限于浸没液体的精确供给与高效回收系统、浸没式液场的稳定维持机制、浸没式光刻过程中的污染与缺陷控制、超大数值孔径浸液投影物镜的研发与精密维护，以及在浸液条件下进行成像质量的严格检测等。

光刻技术的物理极限决定了工艺因子的最小值约为0.25，这意味着即使采用先进的ArF浸没式光刻技术，并结合设备的实际工作能力，其所能实现的最小分辨率也仅约为38纳米。为了突破这一限制，满足更小工艺线宽的需求，当前行业内的主流做法是采用多重图形技术，并辅以高精度在线监测技术和一体化的计算光刻技术，这些技术的运用使得ArF步进扫描光刻机的性能得到了持续的提升，现在已能够支持7纳米节点工艺的生产，为EUV光刻技术成熟之前的集成电路工艺发展提供了有力的支撑。

多重图形技术的核心原理如图13所示。从图中可以看出，为了实现高密度周期图形的工艺需求，需要将原本的一次曝光过程分解为多次进行。具体而言，就是先采用大周期小线宽的掩模图形进行一次光刻，然后在光刻后进行涂胶处理，接着再进行第二次光刻，最后通过刻蚀和去胶步骤，最终在晶圆片表面的硬掩模上形成小周期密集图形。目前，商用ArFi步进扫描光刻机的主要供应商为荷兰的ASML公司和日本的尼康公司。其中，ASML公司的NXT1980 Di型号光刻机，以其卓越的性能和稳定的表现，赢得了市场的广泛认可，其单机售价约为8000万欧元。

图13：多重原理示意图

极紫外光刻机

2025

为了进一步提升光刻分辨率，继准分子光源之后，引入了波长介于10至14纳米的极紫外光作为新的曝光光源。极紫外光因其极短的波长，必须使用反射式光学系统，该系统通常由Mo/Si或Mo/Be等多层膜反射镜构成。在13.0至13.5纳米波长范围内，Mo/Si多层膜的反射率理论最大值接近70%，而Mo/Be多层膜在更短的11.1纳米波长处反射率理论最大值可达约80%。然而，鉴于Be的毒性，EUV光刻技术的研发中并未采用Mo/Be多层膜，而是选择了Mo/Si多层膜，并将曝光波长确定为13.5纳米。

当前主流的极紫外光源采用激光致等离子体（LPP）技术，通过高强度激光激发Sn等离子体至热熔状态以发光。长久以来，光源功率和稳定性一直是制约EUV光刻机效率的关键因素。得益于主振荡功率放大器、预测等离子体（PP）技术和原位收集镜清洁技术的引入，EUV光源的功率及稳定性得到了显著提升。

EUV光刻机由光源、照明、物镜、工件台、掩模台、晶圆片对准、调焦/调平、掩模传输、晶圆片传输及真空框架等多个子系统组成。极紫外光经过多层镀膜反射镜组成的照明系统后，照射在反射掩模上，反射光再进入由一系列反射镜构成的全反射光学成像系统，最终在真空环境下将掩模的反射像投影至晶圆片表面，其工作原理如图14所示。EUV光刻机的曝光视场和成像视场均设计为弧形，并采用步进扫描方式实现全晶圆片曝光，以提升生产效率。ASML公司的NXE系列EUV光刻机代表了该领域的最先进技术，采用13.5纳米波长光源、6角斜入射的反射掩模以及6镜结构的4倍缩小反射投影物镜系统（数值孔径NA=0.33）。

图14：极紫外光光刻原理示意图

在曝光环境方面，NXE系列EUV光刻机的扫描视场为26毫米×33毫米。与浸没式光刻机相比，采用极紫外光源的EUV光刻机单次曝光分辨率显著提升，有效避免了多次光刻刻蚀形成高分辨率图形所需的复杂工艺。目前，数值孔径为0.33的NXE 3400B光刻机单次曝光分辨率已达13纳米，产出率高达125片/小时。为了满足摩尔定律持续发展的需求，未来数值孔径为0.5的EUV光刻机将采用中心遮光的投影物镜系统，非对称倍率设定为0.25倍或0.125倍，扫描曝光视场将缩小至26毫米×16.5毫米，单次曝光分辨率有望低于8纳米。图15展示了ASML公司生产的EUV光刻机。