光刻

微影製程（photolithography/optical lithography）是半導體器件製造工藝中的一個重要步驟，該步驟利用曝光和顯影在光阻層上刻畫幾何圖形結構，然後通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。這裡所說的襯底不僅包含矽晶圓，還可以是其他金屬層、介質層，例如玻璃、SOS中的藍寶石。

該工藝首先將一種稱為光刻膠（光阻）的光敏材料塗覆在基底上。然後，將包含所需圖案的光罩放置在光刻膠上。光線穿過光掩模照射，使光刻膠的特定區域曝光。曝光區域發生化學變化，使其可以或不可以在顯影液中溶解（正/負光阻）。顯影后，通過蝕刻、化學氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍或離子注入等工藝將圖案轉移到樣品上。

「光刻」一詞由古希臘語詞根「光」（φωτός）、「石頭」（λίθος）和「書寫」（γράφειν）組合而成，字面意為「用光在石上書寫」。該工藝在1950年代被引入半導體製造，隨後成為積體電路產業的核心技術。

光刻工藝可根據所用光的類型分類，包括紫外光刻、深紫外光刻、極紫外光刻（EUVL）和X射線光刻。所用光的波長決定了光刻膠上可形成的最小特徵尺寸。常用紫外線（UV）。

光刻技術是積體電路（「IC」或「晶片」，例如固態存儲器和微處理器）半導體器件製造中最常用的方法。它可以製造尺寸小至幾納米的極小圖案，並能精確控制所製造物體的形狀和尺寸。它能夠一步完成整個晶圓上的圖案製作，速度快，成本相對較低。在複雜的積體電路中，一個晶圓可能需要經歷多達50次的光刻循環。它也是微加工領域（例如微機電系統製造）的一項重要技術。然而，光刻技術不能用於在非完全平整的表面上製作掩模。而且，與所有晶片製造工藝一樣，它需要極其潔淨的操作環境。

光刻技術是微光刻技術微光刻技術（microlithography）的一個子類，微光刻技術是生成圖案化薄膜工藝的總稱。該大類技術還包括可控電子束光刻技術，以及較少見的納米壓印、干涉光刻、磁光刻或掃描探針光刻技術。從更廣泛的層面來看，它可與微納結構的定向自組裝技術競爭。

光刻技術與攝影術有一些共同的基本原理，即通過曝光光刻膠來形成圖案——曝光方式可以是直接通過透鏡投影，也可以是像接觸式印相接觸式印相那樣，照射直接覆蓋在基材上的掩模。這項技術也可以被視為印刷電路板製造方法的高精度版本。其名稱源於與傳統攝影製版工藝的粗略類比，即在紙上製作用於平版印刷的印版；然而，該工藝的後續步驟比起傳統光刻更像蝕刻。

傳統光刻膠通常由三種成分組成：樹脂、敏化劑和溶劑。

## 歷史

19世紀20年代，尼塞福爾·涅普斯發明了一種攝影工藝，使用天然瀝青——猶太瀝青作為第一種光刻膠。在金屬、玻璃或石頭上薄薄地塗上一層瀝青，當暴露在光線下時，瀝青的溶解度會降低；未曝光的部分可以用合適的溶劑沖洗掉，露出下面的材料，然後在酸浴中進行化學蝕刻，製成印刷版。瀝青的感光度很差，需要很長的曝光時間，但儘管後來出現了感光度更高的替代品，其低廉的價格和優異的耐強酸性能使其商業用途一直延續到20世紀初。

1940年，奧斯卡·蘇斯（Oskar Süß）利用重氮萘醌研製出一種正性光刻膠，其工作原理與傳統光刻膠相反：塗層最初不溶於水，但在光照下會溶解。1954年，路易斯·普蘭貝克（Louis Plambeck Jr.）開發出Dycryl聚合物凸版印刷版，加快了製版速度。過去，光刻膠的顯影是將晶圓批量浸入顯影液中進行顯影（批量處理），但現代工藝採用單晶圓顯影（單晶圓處理），以提高工藝控制。

1957年，朱爾斯·安德魯斯（Jules Andrus）在貝爾實驗室工作期間，獲得了半導體製造的光刻工藝專利。與此同時，美國陸軍通信兵團的莫·阿布拉姆森（Moe Abramson）和斯坦尼斯勞斯·丹科（Stanislaus Danko）開發了一種印刷電路的技術。

1952年，美國軍方指派傑伊·W·拉思羅普（Jay W. Lathrop）和詹姆斯·R·納爾（James R. Nall）到國家標準局（後來在美國陸軍鑽石軍械引信實驗室，該實驗室最終與現今的陸軍研究實驗室合併）執行一項任務：尋找一種方法來縮小電子電路的尺寸，以便更好地將必要的電路裝入近炸引信內部有限的空間。受光刻膠應用（用作標記金屬飛機機翼鉚釘孔邊界的光敏液體）的啟發，納爾認為類似的工藝可以用來保護電晶體中的鍺，甚至可以用光在電晶體表面形成圖案。在研發過程中，拉思羅普和納爾成功地利用這項技術製造出了一種二維小型化混合集成電路。1958年，在華盛頓特區舉行的IRE電子器件專業組（PGED）會議上，他們發表了第一篇論文，描述了使用照相技術製造電晶體的方法，並採用了「光刻」一詞來描述該工藝，這標誌著該術語首次被公開用於描述半導體器件圖案化。

儘管電子元件的光刻技術涉及的是蝕刻金屬副本，而不是像平版印刷（lithography）那樣蝕刻石版來製作「母版」，但拉思羅普和納爾選擇使用「光刻」而非「光蝕刻」一詞，是因為前者聽起來更「高科技」。1959年6月9日，會議一年後，拉思羅普和納爾的光刻專利正式獲得批准。光刻技術後來對第一批半導體積體電路和第一批微晶片的開發做出了貢獻。

## 光刻膠

微影製程中採用的感光物質被稱為光阻，又叫光刻膠，主要分為正光阻（正性光刻膠）和負光阻（負性光刻膠）兩種。正光阻未被光照的部分在顯影後會被保留，而負光阻膠被感光的部分在顯影後會被保留。光阻不僅需要對指定的光照敏感，還需要在之後的金屬刻蝕等過程中保持性質穩定。不同的光阻一般具有不同的感光性質，有些對所有紫外線光譜感光，有些只對特定的光譜感光，也有些對X射線或者對電子束感光。光阻需要保存在特殊的遮光器皿中。

## 工藝過程

<image>

<image>

光刻工藝流程包括多個按順序組合的步驟。現代潔淨室使用自動化機器人晶圓軌道系統來協調整個工藝流程。此處描述的工藝流程省略了一些高級處理步驟，例如減薄劑。光刻工藝由晶圓軌道和步進/掃描光刻機完成，晶圓軌道系統和步進/掃描光刻機並排安裝。晶圓軌道系統也稱為晶圓塗覆/顯影系統，它們功能是相同的。晶圓軌道的名稱來源於用於在機器內部輸送晶圓的「軌道」，但現代機器不再使用軌道。

### 清洗

如果晶圓表面存在有機或無機污染物，通常採用濕化學處理方法去除，例如基於過氧化氫溶液的RCA清洗程序。也可以使用三氯乙烯、丙酮或甲醇等其他溶液進行清洗。

### 襯底準備

在塗抹光阻之前，矽襯底一般需要進行預處理。首先將晶圓加熱至足以去除晶圓表面可能存在的水分的溫度；150 °C加熱十分鐘即可。存放過的晶圓必須進行化學清洗以去除污染物。此外，為了提高光阻在襯底表面的附著能力，還會在襯底表面塗抹液態或氣態的「附著力促進劑」，例如雙(三甲基矽基)胺（「六甲基二矽氮烷」，HMDS）等。晶圓表面的二氧化矽層與HMDS反應生成三甲基二氧化矽，這是一種高度疏水的層，類似於汽車油漆上的蠟層。該疏水層可防止水性顯影劑滲透到光刻膠層和晶圓表面之間，從而防止顯影圖案中微小光刻膠結構發生所謂的「翹起」。為了確保圖像顯影，最好將其覆蓋並放置在加熱板上，在120 °C的穩定溫度下使其乾燥。

### 光阻塗抹

在這一步中，需要將光阻均勻、平整地分布在襯底表面上。

晶圓通過旋塗法塗覆光刻膠（光阻）液體。將矽片放在一個平整的金屬託盤上，托盤內有小孔與真空管相連。由於大氣壓力的作用，矽片可以被「吸附」在托盤上，這樣矽片就可以與托盤一起旋轉。因此，表層的光刻膠會迅速從晶圓邊緣甩出，而底層光刻膠仍沿晶圓徑向緩慢蔓延。這樣，任何光刻膠的「凸起」或「脊狀」結構都會被去除，從而留下非常平坦的層。然而，粘稠的薄膜可能會導致較大的邊緣凸起，這些凸起是晶圓或光掩模邊緣處光刻膠厚度增加的區域，其平坦化程度存在物理極限。通常需要進行邊緣凸起去除（EBR），通常使用噴嘴去除這些多餘的光刻膠，否則可能會導致顆粒污染。最終厚度還取決於光刻膠中液態溶劑的蒸發。對於非常小且緻密的特徵（<125 nm左右），需要更薄的光刻膠厚度（<0.5 微米）來克服高相對比下的坍塌效應；典型的相對比<4:1。

完成光刻膠的塗抹之後，以去除多餘的光刻膠溶劑，需要進行軟烘乾操作，這一步驟也被稱為前烘。通常在加熱板上於90至100攝氏度下烘烤30至60秒。在塗覆光刻膠之前，可以塗覆一層底部抗反射塗層（BARC），以避免光刻膠下方出現反射，並提高光刻膠在較小半導體工藝（例如45納米及以下）的性能。此外，還有頂部抗反射塗層（TARC）。EUV 光刻的獨特之處在於它允許使用含有金屬氧化物的光刻膠。

### 曝光和顯影

預烘烤後，光刻膠會被特定波長的強光選擇性地照射。光阻中的感光劑會發生光化學反應，使部分光刻膠能夠被一種特殊的溶液（稱為「顯影液」，類似於照相顯影液）去除。正性光刻膠是最常見的類型，曝光後會溶解於顯影液中；而負性光刻膠中，未曝光的區域則會溶解於顯影液中。例如在以重氮萘醌（DNQ）衍生物或重氮醌酯（DQ）為感光劑的光阻中，DQ變為乙烯酮，並進一步水解為茚並羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在鹼性溶劑中的溶解度比未感光部分的光阻高出約100倍，產生的羧酸同時還會促進酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光阻對鹼性溶劑的不同溶解度，就可以進行掩膜圖形的轉移。

曝光後烘烤（PEB）通常在顯影前進行，目的是減少入射光相消干涉和相長干涉引起的駐波現象。在深紫外光刻（DUV）中，使用化學放大光刻膠（CAR）。這種光刻膠對PEB的時間、溫度和延遲更為敏感，因為光刻膠的工作原理是：當被光子照射時產生酸，然後發生「曝光」反應（產生酸，使聚合物溶於鹼性顯影液，並進行酸催化的化學反應），而該反應主要發生在PEB過程中。

通過在曝光過程結束後加入顯影液，正光阻的感光區、負光阻的非感光區，會溶解於顯影液中。這一步完成後，光阻層中的圖形就可以顯現出來。為了提高解析度，幾乎每一種光阻都有專門的顯影液，以保證高質量的顯影效果。

顯影液通過旋塗機塗覆，和光刻膠類似。最初的顯影液通常含有氫氧化鈉（NaOH）。然而，鈉在MOSFET製造中被認為是一種極其有害的污染物，因為它會降低柵極氧化層的絕緣性能（具體來說，鈉離子會在柵極內外遷移，改變電晶體的閾值電壓，並隨著時間的推移改變電晶體的導通性能）。現在通常使用不含金屬離子的顯影液，例如四甲基氫氧化銨（TMAH）。將顯影液塗覆到晶圓上的噴嘴可能會影響所需的顯影液量。

如果使用非化學放大光刻膠，則將所得晶圓進行「硬烘烤」，通常在120至180攝氏度下烘烤20至30分鐘。硬烘烤可使剩餘的光刻膠固化，從而在未來的離子注入、濕化學刻蝕或等離子體刻蝕中形成更耐用的保護層。

從準備階段到這一步驟，光刻工藝一直由兩台機器完成：光刻步進機，以及塗布/顯影機。這兩台機器通常並排安裝，並相互連接。

### 蝕刻和離子注入

在蝕刻過程中，液態（「濕法」）或等離子體（「干法」）化學試劑會去除襯底上未被光刻膠保護區域的最上層。在半導體製造中，通常採用干法刻蝕技術，因為干法蝕刻可以實現各向異性，從而避免對光刻膠圖案造成嚴重的側向腐蝕。當待蝕刻特徵的寬度與被蝕刻材料的厚度相近或更小時（即縱橫比接近於1），這一點至關重要。濕法蝕刻工藝通常具有各向同性，這對於微機電系統（MEMS）來說往往是必不可少的，因為在MEMS中，懸浮結構必須從底層「釋放」出來。

低缺陷各向異性干法刻蝕工藝的發展，使得通過光刻技術在光刻膠中確定的越來越小的特徵能夠轉移到襯底材料上。

離子注入是一種低溫工藝，通過該工藝，可將特定離子在電場裡加速，然後嵌入到另一固體靶材之中。如果注入離子在靶材內停留不逸出，就會改變靶材的元素成分。

離子注入設備通常由一個離子源和配套的磁場分析器（用於產生所需離子種類）、一個粒子加速器（通過靜電或射頻方式將離子加速至高能）、一個掃描器（使得離子均勻注入）、以及一個靶材室（離子在此轟擊被注入物質）組成。因此，離子注入是粒子輻射的一種特殊形式。每個離子通常為單個原子或分子，注入量等於離子電流隨時間的累積，稱為劑量。由於注入電流一般較小（微安級），因此在合理時間內可注入的劑量也較少，故離子注入多用於需要微量化學修飾的場合。

### 光阻的去除

這一步驟簡稱去膠。當不再需要光刻膠時，必須將其從基底上去除。這通常需要使用液體「光刻膠剝離劑」，它通過化學方法改變光刻膠，使其不再粘附在基底上。另一種方法是使用含氧等離子體去除光刻膠，將其氧化。該過程稱為等離子體灰化，類似於干法刻蝕。使用1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶劑溶解光刻膠是另一種去除圖像的方法。當光刻膠溶解後，可以通過加熱至80 ℃去除溶劑，不留任何殘留物。

## 曝光系統

<image>

<image>

曝光系統通常使用光掩模在晶圓上生成圖像。光掩模會阻擋部分光線，而允許其他區域的光線通過。（無掩膜光刻技術無需使用掩模即可將精確光束直接投射到晶圓上，但這種技術在商業工藝中應用並不廣泛。）曝光系統可根據將圖像從掩模轉移到晶圓的光學元件進行分類。

由於光刻技術能夠製造出更光滑的印刷層、更少的波紋圖案以及更精確的漏源電極對準，因此它比印刷電子技術能夠製造出更好的薄膜電晶體結構。

### 接觸式和接近式

接觸式對準曝光機（光刻機）是最簡單的曝光系統，它將光掩模與晶圓直接接觸，並用均勻光進行曝光。接近式對準曝光機則在光掩模和晶圓之間留出約5微米的間隙。兩種情況下，掩模都會覆蓋整個晶圓，並同時對每個晶片進行圖案化。

接觸式光刻/印刷容易損壞掩模和晶圓，這也是它被放棄用於大批量生產的主要原因。接觸式光刻和鄰近式光刻都要求整個晶圓上的光強均勻，並且掩模必須與晶圓上已有的特徵精確對準。隨著現代工藝使用越來越大的晶圓，這些條件變得越來越難以滿足。

研究和原型製作過程通常採用接觸式或接近式光刻技術，因為它使用成本低廉的硬體，並且能夠實現高光學解析度。接近式光刻的解析度約為波長與間隙距離乘積的平方根。因此，接觸式光刻提供除了投影式光刻（見下文）之外的最佳解析度，因為其間隙距離接近於零（忽略光刻膠本身的厚度）。此外，納米壓印光刻技術可能會重新激發人們對這項熟悉技術的興趣，尤其考慮到其預期擁有成本較低；然而，上文討論的接觸式光刻的缺點仍然是需要克服的挑戰。

### 投影式

超大規模積體電路（VLSI）光刻採用投影系統。與覆蓋整個晶圓的接觸式或接近式掩模不同，投影掩模（也稱為「光罩」）每次只在晶圓的一部分區域內顯示一個晶片或晶片陣列（稱為「場」）。投影曝光系統（步進式或掃描式）將掩模多次投影到晶圓上，每次投影都會改變晶圓的位置，從而形成完整的圖案，實現晶圓的完全圖案化。步進式和掃描式的區別在於，在曝光過程中，掃描式會同時移動光掩模和晶圓，而步進式僅移動晶圓。接觸式、接近式和投影式掩模對準曝光機早於步進式，它們在曝光過程中既不移動光掩模也不移動晶圓，並且使用覆蓋整個晶圓的掩模。浸沒式光刻掃描光刻機在透鏡和晶圓之間使用一層超純水來提高解析度。納米壓印光刻是光刻技術的替代方案。能夠投射到晶圓上的圖像的最大尺寸稱為光罩極限。

## 光罩

掩模圖像源自電腦數據文件。該數據文件被轉換為一系列多邊形，並通過光刻工藝寫入覆蓋有鉻或氧化鐵層的熔融石英方形基板上。光束（雷射寫入器）或電子束（電子束寫入器）用於曝光數據文件中定義的圖案，並以矢量或光柵掃描方式在基板表面移動。掩模上的光刻膠曝光區域，鉻層會被蝕刻掉，從而為步進/掃描系統中的照明光留下清晰的路徑。

## 投影系統的解析度

<image>

<image>

將細微圖形清晰投影到晶圓上的能力，受限於所用光源的波長，以及縮倍透鏡系統從光照掩模版捕獲足夠多衍射級次的能力。當前最先進的光刻工具使用錫等離子體發射的極紫外光（EUV），波長為13.5納米，可實現小至7納米的特徵尺寸。而準分子雷射光刻（深紫外光刻，DUV）在過去20年間為摩爾定律的持續推進發揮了關鍵作用（參見下文）。

投影系統可刻印的最小特徵尺寸近似為：

$$CD = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}$$

<image>

<image>

<image>

<image>

其中，$\,CD$是最小特徵尺寸（也稱為關鍵尺寸、目標設計規則或「半間距」），$\,\lambda$是所使用光的波長，而$\,NA$是從晶圓上看到的透鏡數值孔徑。

$\,k_1$（通常稱作k1因子）是一個概括了與過程相關的因素的係數，在生產中通常等於0.4。（$\,k_1$實際上是工藝因素的函數，例如入射光照射到掩模上的角度和入射光強度分布。它在每種特定的工藝里都是固定的。）可以通過計算光刻技術降低該係數來減小最小特徵尺寸。

根據該公式，可以通過減小波長和增大數值孔徑（以獲得更聚焦的光束和更小的光斑尺寸）來減小最小特徵尺寸。然而，這種設計方法面臨著另一個制約的因素——在現代系統中，焦深也是一個需要考慮的問題：

$$DOF = k_2 \cdot\frac{\lambda}{\,{NA}^2}$$

此處$\,k_2$是另一個與工藝相關的係數。焦深限制了光刻膠的厚度和晶圓上形貌的深度。在進行高解析度光刻步驟之前，通常採用化學機械拋光來平整形貌。

<image>

根據經典光學中的瑞利準則，k1=0.61。當兩個點之間的距離小於1.22波長/數值孔徑時，它們的圖像將無法保持原有的間距，反而會因為兩個艾里斑之間的干涉而變得更大（如圖）。不過，也必須注意，兩個特徵之間的距離也會隨離焦狀態而改變。

在二維情況下，解析度問題也同樣不簡單。例如，線條間距越密，線條端部之間的垂直方向間隙反而越寬。更本質地說，當矩形特徵在x和y兩個方向上的間距都接近解析度極限時，其直邊會發生圓化。

在先進節點中，模糊（blur）而非波長成為限制解析度的關鍵因素。最小節距由「模糊×σ/0.14」給出。模糊受能量劑量和量子產率的影響，因此在EUV光刻中，這需要與隨機缺陷進行權衡。

## 焦深

除了解析度之外，焦深（DoF）是光刻系統中的另一個關鍵指標。在投影光刻系統中，景深與數值孔徑（NA）的平方成反比。周期性結構可以通過特定的照射方式（例如針對固定線條間距的雙光束成像）來顯著增大焦深。相反，非周期性特徵，例如尖端到尖端的間隙，則會嚴重限制焦深，制約其可縮小的程度；這實際上比最小間距更有效地限制了解析度。

## 隨機效應

<image>

由於光由光子組成，因此在低劑量下，圖像質量最終取決於光子數。這影響了極紫外光刻（EUVL）的應用，其最低劑量限制在20光子/納米²量級。是因為在相同能量劑量下，波長越短（每個光子的能量越高），光子數就越少。由於構成圖像的光子數減少，邊緣定位會出現噪聲。

<image>

隨著間距圖案變得更大、衍射級次變得更多、並且使用了更多的照明光源點，隨機效應會變得更加複雜。

EUV光刻中的二次電子會加劇隨機特性。

## 光源

<image>

歷史上，光刻技術一直使用汞燈（有時也與氙等稀有氣體混合使用）產生的紫外光。這些燈產生的光光譜範圍很廣，在紫外波段有幾個強峰。通過對該光譜進行濾波，可以選擇單一的光譜線。從20世紀60年代初到80年代中期，汞燈因其436納米（「g線」）、405納米（「h線」）和365納米（「i線」）的光譜線而被廣泛應用於光刻技術。然而，隨著半導體行業對更高解析度（用於生產密度更高、速度更快的晶片）和更高產能（用於降低成本）的需求不斷增長，基於燈的光刻設備已無法滿足行業的高端要求。

1982年，坎蒂·賈恩（Kanti Jain）在IBM公司提出並演示了準分子雷射光刻技術，克服了這一挑戰。準分子雷射光刻機（步進式和掃描式）成為微電子生產的主要工具，使晶片製造的最小特徵尺寸從1990年的800納米縮小到2018年的7納米。從更廣泛的科學和技術角度來看，在雷射技術自1960年首次演示以來的50年發展歷程中，準分子雷射光刻技術的發明和發展公認為其一個重要的里程碑。

光刻系統中常用的深紫外準分子雷射器是波長為248納米的氟化氬（KrF）雷射器和波長為193納米的氟化氬（ArF）雷射器。20世紀80年代準分子雷射光源的主要製造商是 Lambda Physik（現屬Coherent）和 Lumonics。自20世紀90年代中期以來Cymer公司成為光刻設備中準分子雷射光源的主導供應商，而Gigaphoton公司是其主要競爭對手。準分子雷射通常針對特定氣體混合物設計；因此，改變波長並非易事，因為產生新波長的方法完全不同，且材料的吸收特性也會改變。例如，空氣在193 nm波長附近開始顯著吸收；向193 nm以下波長推進時，需要在光刻設備上安裝真空泵和吹掃設備（重大挑戰）。有時可用惰性氣體氛圍替代真空，以避免硬質管道連接。此外，諸如二氧化矽之類的絕緣材料，在暴露於能量大於其帶隙的光子時，會釋放自由電子和空穴，進而導致不良充電現象。

光學光刻已被延伸至 50 nm 以下的特徵尺寸。該技術也稱為浸沒式光刻，它使得使用數值孔徑超過1.0的光學系統成為可能。所採用的液體通常是超純去離子水，其折射率高於透鏡與晶圓表面之間通常的空氣間隙。水被持續循環以消除熱致畸變。水僅能將數值孔徑提升至約1.4，但更高折射率的流體可進一步增大有效數值孔徑。

<image>

已經製造出使用F2分子雷射的157納米長、工作方式類似於當前曝光系統的實驗工具。這些工具曾計劃在65納米特徵尺寸節點上接替193納米光刻，但如今幾乎已被浸沒式光刻的引入所淘汰。這是由於157納米技術存在長期難以解決的技術問題，以及經濟因素提供了繼續使用193納米準分子雷射光刻技術的強大動力。高折射率浸沒式光刻是193納米光刻最新考慮的延伸技術。2006年，IBM演示了使用該技術實現小於30納米的特徵。這些系統使用了CaF2氟化鈣透鏡。也有研究嘗試了157 nm 的浸沒式光刻。

已經有演示約126納米（Ar₂* 準分子）的紫外準分子雷射。汞弧燈設計用於維持50至150伏特的穩定直流電流，但準分子雷射具有更高的解析度。準分子雷射是基於氣體的光系統，通常填充惰性氣體和鹵素氣體（Kr、Ar、Xe、F 和 Cl），通過電場激發。頻率越高，圖像解析度越高。KrF雷射能夠以4千赫茲的頻率工作。除了運行頻率更高之外，準分子雷射相比汞弧燈還能兼容更先進的設備。它們還可以在更遠的距離（最遠25米）工作，並能通過一系列反射鏡和增透膜鍍層透鏡保持其精度。通過設置多個雷射器和反射鏡，能量損失被最小化；同時，由於透鏡鍍有增透膜，從雷射離開到照射到晶圓，光強保持相對恆定。

雷射已被用於間接產生非相干極紫外（EUV）光（波長13.5納米），用於極紫外光刻。EUV光並非由雷射直接發射，而是由錫或氙等離子體發射，該等離子體由準分子雷射或CO2雷射激發。這種技術不需要同步加速器，而且如前所述，EUV光源不產生相干光。然而，需要真空系統和一系列新型技術（包括比目前產生的EUV能量高得多的能量）來處理處於X射線譜邊緣（始於10納米）的紫外光。極紫外光刻已於2018年由三星投入大規模生產，其他廠商也隨之跟進。截至2020年，EUV已被台積電、三星等領先代工廠投入大規模生產。

理論上，光刻的一種替代光源是自由電子雷射——尤其是當波長繼續縮短到極紫外或X射線時（對於X射線裝置，或許可稱之為X射線雷射）。自由電子雷射可以在任意波長上產生高質量的光束。

可見光和紅外飛秒雷射也被應用於光刻。在這種情況下，光化學反應由多光子吸收引發。使用這些光源有很多好處，包括能夠製造真正的三維物體，以及加工未經過光敏化處理的（純）玻璃類材料，這些材料具有優異的光學穩定性。

## 特殊形式與進一步發展

多年來，光刻技術一次又一次擊破關於其消亡的預測。20世紀80年代初，半導體行業的許多人相信小於1微米的特徵無法通過光學方式印製。而使用準分子雷射光刻的現代技術已經能夠印製出尺寸僅為所用光波長的幾分之一的特徵——這是一項驚人的光學成就。浸沒式光刻、雙調光刻膠和多重圖案化等新技術持續提升著193 nm光刻的解析度。與此同時，當前的研究正在探索傳統紫外光的替代方案，例如電子束光刻、X射線光刻和離子投影光刻。

大規模並行電子束光刻曾被探索作為光刻的替代方案，並由台積電進行了測試，但並未成功；該技術的主要開發商MAPPER的技術被ASML收購。儘管電子束光刻曾一度被IBM用於晶片生產，但現在僅用於掩模製造等小眾應用。

### 浸沒式光刻

如上文所述，浸沒式光刻本質上與投影式光刻相同。不同之處在於，曝光時投影透鏡與光刻膠之間的介質不是空氣，而是一種液體。浸沒液體的一個例子是超純水。與空氣相比，其更高的折射率增大了成像系統的數值孔徑，從而允許製作更小的結構。

IBM於2006年2月發表了首批研發成果。當時他們已在實驗室實驗中展示了特徵尺寸為29.9納米的結構成像。該技術於2007年首次引入大規模生產。其間也首次使用了折反射式投影物鏡。截至2010年1月，採用該技術在晶片生產中已可實現32納米的結構尺寸（使用193納米雷射輻射）。通過引入浸沒式光刻，轉向新型且更昂貴的光刻概念（如X射線或電子束光刻）的工作得以推遲。

在此過程中，至少部分地採用了其他技術和曝光方法，以便能夠在光刻膠中成像出更小的結構。例如Double Exposure和Double Patterning工藝，即對一片晶圓進行兩次曝光。首先以最大可達到的光學解析度製作出某種結構（例如45 nm結構寬度），然後將晶圓的位置移動半個解析度距離（22納米），再投影第二個結構。晶圓步進機的定位精度足以滿足這一過程，但重複曝光增加了工藝時間。通過將Double Patterning與 193納米浸沒式光刻相結合，已經實現了22納米的結構尺寸。Double Patterning與32納米浸沒式光刻的組合甚至可能實現16納米的結構尺寸——這原本被認為是EUV光刻的專屬領域。為了達到這一目標，超純水作為浸沒液體的光學性能已不再足夠。因此目前也開始使用折射率高達1.8的浸沒液體，或正在研究替代方案。這些方案的目標之一是實現與透鏡系統更好的匹配（例如進一步提高數值孔徑）。

### 灰度光刻

傳統光刻通常用於製造二元結構，即由完全去除和完全保留的區域構成的結構，而灰度光刻的開發目標是在顯影后獲得所需的光刻膠表面形貌，從而為微系統技術領域提供新的應用，例如用於製造3D結構。這遵循了一種新的光刻概念——在橫向上變化曝光劑量，利用實際光刻膠的顯影速率隨劑量單調但非線性變化的特性，控制不同位置去除的光刻膠厚度。對於厚光刻膠層（厚度>5微米，遠大於所用紫外輻射的穿透深度1–2微米⁻¹），也可以通過控制曝光時間來達到類似效果，原理是曝光後光刻膠對所用紫外輻射的吸收顯著降低。顯影后，可以通過強各向異性的干法刻蝕工藝將光刻膠形貌轉移到下層的功能層中。

實際實現可變曝光劑量的方法有：多次曝光、灰度掩模、以及偽灰度掩模。在多次曝光中，根據所需結構，可以逐步移動一張掩模，或者使用多張具有不同遮光圖案的二元掩模。此外，每個曝光步驟也可採用不同的曝光劑量以取得更好效果。偽灰度掩模是普通的二元掩模，但其中使用了小於投影物鏡分辨極限的結構（衍射光學）。這會在像面產生亮度調製（類似報紙印刷中網點圖片的效果）。而真正的灰度掩模上則製作有具有不同透射率的區域，通常通過一層（部分）吸收材料實現，其厚度在完全吸收與完全透射之間連續變化（例如精細的階梯狀輪廓）。

## 解析度提升技術

光刻解析度受瑞利判據制約，大致與波長成正比、與透鏡數值孔徑成反比。在波長和透鏡被推向物理極限之後，業界開發了一系列解析度增強技術：

- 浸沒式光刻：在投影透鏡與矽片之間填充高折射率液體，將有效數值孔徑提升至1.35以上，使193納米光源可用於45納米及以下的節點。
- 多重曝光技術：將密集圖案拆分為兩至三個掩模，分次曝光後在矽片上組合（如LELE，即光刻-刻蝕-光刻-刻蝕）。自對準雙重成像（SADP）進一步利用間隔物實現更密集的間距。
- 計算光刻：利用光學鄰近效應修正（OPC）和光源-掩模協同優化（SMO），在掩模設計層面預先補償衍射和散射造成的影響。

## 光刻與經濟

2001年，美國國家標準與技術研究院（NIST）發布的一份報告指出，光刻工藝約占晶圓加工總成本的35%。

2021年，光刻產業的產值超過80億美元。

## 外部連結

- BYU Photolithography Resources
- Semiconductor Lithography – 關於光刻技術的綜述。
- Optical Lithography Introduction – IBM網站上關於光刻的文章。