一、引言
光刻技术是半导体制造中最关键、技术最复杂的工艺之一。它用于在硅晶圆上定义复杂的图案，这些图案最终会成为微芯片内部的晶体管、互连线和电路元件。如果没有光刻技术，现代集成电路 (IC) 的诞生就不可能实现。
光刻技术常被比作一种高精度的印刷技术，它能够将精细的图案从光掩模转移到涂有感光材料（称为光刻胶）的晶圆上。这些图案决定了芯片各层的布局和功能，精确到纳米级。
随着半导体器件日益复杂和紧凑，对更先进的光刻技术的需求也日益增长。光刻不仅仅是工艺流程中的一个步骤，更是芯片尺寸和性能创新的基础。
二、光刻在半导体制造中的作用
光刻在半导体制造过程中发挥着核心作用，尤其是在定义芯片特征几何形状方面。由于半导体制造涉及在硅晶片上构建多层电路，因此光刻工艺需要重复数十次——每个图案层都需要进行一次。
光刻工艺中的每个步骤都有助于：
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图案化晶体管以实现逻辑和存储功能
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创建互连以连接芯片上的组件
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定义对准标记以确保跨层精度
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控制影响性能和良率的关键尺寸 (CD)
如果没有精确且可重复的光刻技术，就不可能制造出拥有数十亿个晶体管的设备，例如现代 CPU 和 DRAM 芯片。
三、光刻技术的基本原理
光刻技术的核心是一种图案转移工艺，利用光将纳米级图案印制到硅晶片上。这涉及三个主要部件：
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光掩模（光罩） – 包含待转移的所需图案
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光刻胶 – 涂在晶片上的感光涂层
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曝光系统 – 光线穿过掩模，使光刻胶曝光
当光刻胶暴露于光线（通常是紫外线）时，会发生化学变化，在显影步骤中，使其部分可溶（正性光刻胶）或不可溶（负性光刻胶）。这样就能显示出图案，然后通过蚀刻工艺将其转移到晶圆基板上。
| 组件 | 功能 |
|---|---|
| 光掩模 | 承载待压印的电路图案 |
| 光刻胶 | 记录图案的感光层 |
| 步进光刻机/扫描仪 | 将图案投射并缩小到晶圆上 |
| 光源 | 提供紫外光或极紫外光以曝光光刻胶 |
IV.光刻工艺：分步说明
光刻工艺包含多个步骤，每个阶段都要求精度和清洁度。以下是主要步骤的简化视图：
1. 晶圆准备
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首先清洁硅晶圆，去除任何可能影响光刻胶粘附或成像的颗粒或残留物。
2. 光刻胶涂覆
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使用旋涂技术涂覆一层薄而均匀的光刻胶层。厚度可能因应用和分辨率需求而异。
3. 软烘烤（预烘烤）
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对涂覆的晶圆进行烘烤，以去除光刻胶中的溶剂并提高附着力。
4. 掩模对准
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将晶圆与光掩模对准，以确保图案的精确定位。此阶段的精度对于多层器件至关重要。
5. 曝光
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紫外光（EUV）穿过光掩模照射。光与光刻胶相互作用，改变其溶解度。
6.曝光后烘烤
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第二次烘烤步骤有助于在显影前稳定光刻胶中的化学变化。
7. 显影
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将晶圆浸入显影液中，根据光刻胶的类型，显影液会去除光刻胶的曝光区域或未曝光区域。
8. 蚀刻
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剩余的光刻胶在等离子蚀刻或湿法蚀刻过程中用作掩模，将图案转移到底层材料（例如，二氧化硅或多晶硅）中。
9.光刻胶去除
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蚀刻后，残留的光刻胶被剥离，只留下蚀刻在晶圆上的最终图案。
五、关键部件和材料
光刻工艺的有效性和精度在很大程度上取决于几个核心部件和材料的性能。每种部件和材料在确保高分辨率、高良率图案化方面都发挥着特定的作用。
1. 光掩模（光罩）
光掩模是一种高精度玻璃板，其中包含要转移到晶圆上的电路设计。它由铬或其他不透明材料制成，用于阻挡光线，使图案无法转移。
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用于投影光刻系统
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集成电路的每一层都有一个光掩模
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要求极高的清洁度和无缺陷的表面
2. 光刻胶
光刻胶是感光聚合物，在光照下会改变其化学结构。主要有两种类型：
| 类型 | 功能 |
|---|---|
| 正性光刻胶 | 曝光区域可溶解，并在显影过程中被去除 |
| 负性光刻胶 | 曝光区域不可溶解，在显影后仍会残留 |
正性光刻胶分辨率更高，常用于先进的制造节点。
3.曝光工具（步进式曝光机和扫描仪）
现代光刻系统包括：
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步进式曝光机：将整个掩模图像按顺序投影到小区域（芯片）上
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扫描仪：采用狭缝状投影，同时移动掩模和晶圆，以提高吞吐量
两种系统均采用高精度光学元件，能够达到纳米级精度。
4. 光源
光源决定了图案的分辨率极限。最常见的类型包括：
| 光源类型 | 波长 | 应用 |
|---|---|---|
| 汞 i 线 | 365 nm | 传统节点 (>1 µm) |
| KrF 准分子激光器 | 248 nm | 早期 DUV 光刻 |
| ArF 准分子激光器 | 193 nm | 现代 90nm 以下工艺 |
| EUV 光源 | 13.5 nm | 先进节点 (7nm 及（见下文） |
较短的波长可以实现更精细的特征，但成本和复杂性也会更高。
VI. 常见的光刻技术
光刻工艺有多种类型，每种都有各自的用例、优势和局限性。
1. 接触式光刻和接近式光刻
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接触式光刻：光掩模直接接触晶圆。分辨率高，但缺陷风险高。
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近距离光刻：掩模版靠近晶圆（几微米），减少了损伤，但也提高了分辨率。
这些方法大多已过时，但仍在 LED 和 MEMS 行业使用。
2. 投影光刻（主流技术）
该技术使用高分辨率透镜将掩模版上的图案投影并缩小到晶圆表面。它在现代半导体制造中占据主导地位，原因如下：
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非接触式曝光（无掩模版损坏风险）
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高精度和可重复性
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与自动晶圆步进机和扫描仪兼容
3. 先进技术
一些新兴或特殊技术包括：
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极紫外 (EUV) 光刻技术：用于先进节点（5nm、3nm），使用 13.5nm 波长
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纳米压印光刻技术 (NIL)：通过机械方式将图案压印到光刻胶中；适用于低成本、大批量生产
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无掩模光刻技术：使用数字光调制，绕过光掩模；仍在研究用于大批量应用
VII. 行业中的光刻设备
全球半导体行业依赖于少数几家先进的光刻工具制造商。以下是主要设备供应商的简要概述：
| 公司 | 国家 | 主要产品 |
|---|---|---|
| ASML | 荷兰 | EUV 和 DUV 步进光刻机及扫描仪 |
| 尼康 | 日本 | DUV 光刻系统 |
| 佳能 | 日本 | i-line 和 KrF 系统，NIL 工具 |
这些系统需要广泛的支持——包括维护、升级、备件和安装专业知识——才能在制造过程中可靠运行环境。
JUNR 在光刻供应链中的作用
无锡君睿科技有限公司 (JUNR) 通过以下方式为光刻生态系统做出贡献：
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提供翻新光刻工具
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提供曝光系统的替换零件和耗材
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提供专业服务，包括拆卸、安装、校准和维护
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整合来自美国、日本、韩国和台湾供应商的国际资源
这有助于半导体制造商在不影响质量的情况下保持高正常运行时间并降低运营成本。
八、结论
光刻技术是半导体制造的基石。它决定了集成电路的关键特性，并直接影响其性能、功耗和成本。从i线光刻技术到如今的EUV系统，光刻技术的演变反映了摩尔定律的持续推进。
对于任何在半导体行业工作或与半导体行业合作的人来说，了解光刻技术都至关重要。它不仅仅关乎打印图案，更关乎在原子尺度上实现创新。
在JUNR，我们很荣幸能够为客户提供高质量的光刻设备、配件和技术服务。无论您是扩展生产线还是维护现有设备，我们都致力于根据您的需求提供及时、经济高效的定制解决方案。
