證券研究報(bào)告電子/行業(yè)深度報(bào)告2025年7月28日微納世界的建筑師：光刻技術(shù)深度解析摘要???光刻工藝是半導(dǎo)體制造技術(shù)中重要組成部分，每個(gè)掩模層均需要光刻作為起始工藝點(diǎn)。一個(gè)具有4個(gè)金屬層、0.13μm的CMOS（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）集成電路制造工藝中，有474個(gè)工藝步驟，使用了超過30個(gè)掩模層，其中212個(gè)步驟與光刻曝光相關(guān)，105個(gè)步驟與使用光刻膠圖像的圖案轉(zhuǎn)移相關(guān)。光刻的重要性不僅因掩模層的需求，更重要的是它通常決定了下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的限制因素。對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小特征尺寸（線寬/柵長(zhǎng)）以及線距都會(huì)降低至上一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的1/√2（約70%），電路密度的降低系數(shù)為2。邏輯芯片金屬互連層較為復(fù)雜，而存儲(chǔ)芯片（DRAM和NAND)的核心存儲(chǔ)陣列由高度規(guī)則的線/間隔結(jié)構(gòu)組成，其線寬和間距通常都被壓到極限且非常均一。對(duì)于DRAM，存儲(chǔ)單元的字線和位線通常采用最小可能的線寬以取得最大電容和最小占用面積。在邏輯和存儲(chǔ)中，pitch的挑戰(zhàn)有所不同。邏輯電路中最小pitch往往出現(xiàn)在第一層金屬互連和晶體管層。例如7nm邏輯的M1線/槽pitch約為40nm。相比之下，存儲(chǔ)陣列的pitch基本固定在單一最小值，例如DRAM字線pitch整個(gè)陣列內(nèi)恒定（除了邊緣過渡區(qū)），NAND平面柵極pitch也是固定值。光刻工藝的基本流程包含旋涂光刻膠->預(yù)烘烤（前烘）->曝光->顯影。但是，器件光刻工藝的前提是完成掩模版的設(shè)計(jì)及制造。光刻技術(shù)基于掩模可劃分為有掩模光刻和無掩模光刻。無掩模版光刻（直寫光刻技術(shù)）受限于生產(chǎn)效率與光刻精度等方面因素，目前還無法滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大規(guī)模制造的需求。半導(dǎo)體掩模版作為集成電路生產(chǎn)的“母板”，其生產(chǎn)同樣需要光刻。掩模版的制造可大體分為三塊：CAM版圖處理、光刻以及檢測(cè)環(huán)節(jié)。掩模圖形通常不是通過光罩復(fù)制得到的，而是采用直寫光刻方式直接在空白掩?；迳仙蓤D形。根據(jù)工藝節(jié)點(diǎn)和所需精度，直寫設(shè)備包括高精度激光直寫機(jī)或電子束直寫機(jī)。對(duì)于較“大”的線寬（通?！?30nm的掩模最小線寬），可采用激光直寫；而先進(jìn)節(jié)點(diǎn)（130nm及以下甚至到幾十納米尺寸）由于激光衍射帶來的分辨率限制，一般采用電子束直寫光刻，以確保圖形精度。??勻膠顯影機(jī)（Track)主要實(shí)現(xiàn)除曝光以外的其他光刻工藝，包括光刻材料的涂布（光刻膠）、烘烤、顯影、晶圓背面的清洗等功能。對(duì)于浸沒式工藝的晶圓還需要增添晶圓表面的去離子水沖洗等。工藝處理部分是Track的主體，其包括增粘模塊（adhesion

enhancement）、熱盤（hot

plate）、冷盤（chill

plate)（溫控單元，分別負(fù)責(zé)晶圓在涂膠（Coating）和顯影（Developing）工藝前后的熱處理與冷卻，實(shí)現(xiàn)烘干及冷卻）、旋涂、顯影等主要工藝模塊。光源是決定光刻機(jī)波長(zhǎng)（λ）的核心要素。從I線（365nm波長(zhǎng)）及以上波長(zhǎng)光刻機(jī)一般使用的光源是高壓汞燈。高壓汞燈提供254-579nm波長(zhǎng)的光，隨后通過濾波器可以選擇性的使用I線（365nm）、H線（405nm）或者G線（436nm）為光刻機(jī)提供照明光源。KrF（248nm波長(zhǎng)）和ArF（193nm波長(zhǎng)，包括浸沒式）使用準(zhǔn)分子激光器（excimer）作為光源。EUV光刻采用13.5nm波長(zhǎng)的極紫外光，這種短波長(zhǎng)的光無法由傳統(tǒng)激光介質(zhì)直接產(chǎn)生。當(dāng)前業(yè)界采用激光等離子體光源（LPP）方案，用高功率CO?激光脈沖反復(fù)擊打高速拋射的微小錫金屬液滴，在微小體積內(nèi)產(chǎn)生高溫等離子體，從中發(fā)射EUV光子。國(guó)內(nèi)EUV光源發(fā)展線路包括：激光等離子體LPP路線、放電等離子體DPP路線、同步輻射/自由電子激光路線。??光刻機(jī)的成像系統(tǒng)是半導(dǎo)體光刻技術(shù)的核心，其透鏡（或反射鏡）決定了光刻分辨率和成像質(zhì)量。193nm波段的AR膜一般采用氟化物材料體系（如MgF?、LaF?等）以保證低吸收和高激光損傷閾值。典型雙層或多層AR鍍膜可將193nm垂直入射殘余反射降至0.1%以下?？傊?，DUV物鏡以高純石英和CaF?透鏡結(jié)合AR鍍膜實(shí)現(xiàn)高透過率；EUV物鏡則以低熱膨脹鏡基配合Mo/Si多層膜實(shí)現(xiàn)高反射，兩者材料體系截然不同。2024年，晶圓曝光設(shè)備、光刻處理設(shè)備、掩模版制造設(shè)備合計(jì)市場(chǎng)規(guī)模約293.67億美元。隨著2nm工藝導(dǎo)入，EUV光刻需求提升，2025年光刻工藝相關(guān)設(shè)備預(yù)計(jì)達(dá)312.74億美元。隨著

AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等應(yīng)用爆發(fā)性增長(zhǎng)，服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心及存儲(chǔ)（Servers,

Data

centers

&

Storage）市場(chǎng)在

2025–2030

年預(yù)計(jì)將以

9%

的年復(fù)合增長(zhǎng)率攀升，同時(shí)半導(dǎo)體總銷售規(guī)模有望突破1萬億美元大關(guān)。這一趨勢(shì)直接拉動(dòng)DRAM制程的

晶圓需求增長(zhǎng)，特別是面向

HPC/AI

的

DRAM

產(chǎn)能投放顯著提升，同時(shí)，先進(jìn)邏輯（≤

7

nm）持續(xù)向更高性能與更低功耗設(shè)計(jì)演進(jìn)，推動(dòng)每片晶圓上的圖形層數(shù)不斷增加。??相關(guān)公司：設(shè)備廠商，匯成真空（301392.SZ）；芯源微（688037.SH）；中科飛測(cè)（688361.SH）；芯碁微裝（688630.SH）。激光源混合氣，華特氣體（688268.SH）；凱美特氣（002549.SZ）。投影物鏡/

高精度光學(xué)件，茂萊光學(xué)（688502.SH）；福晶科技（002222.SZ）。風(fēng)險(xiǎn)提示：光刻技術(shù)相關(guān)設(shè)備材料屬于集成電路上游，周期性較強(qiáng)；設(shè)備折舊成本較高，產(chǎn)能不及預(yù)期對(duì)利潤(rùn)影響較大；相關(guān)產(chǎn)品專利權(quán)被海外巨頭壟斷；設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)，研發(fā)費(fèi)用支出較大；先進(jìn)制程催化光刻機(jī)需求，下游AI產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展不利影響；公司研發(fā)進(jìn)度不及預(yù)期，產(chǎn)能爬坡較慢，毛利率下滑目錄一、光刻：工藝的起點(diǎn)，也是節(jié)點(diǎn)的先決條件七、光刻機(jī)分類八、曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1二、邏輯芯片光刻與存儲(chǔ)芯片光刻差異九、套刻誤差及量測(cè)三、光刻flow：涂膠、烘烤、曝光、顯影十、光刻機(jī)市場(chǎng)：ASML壟斷高端，先進(jìn)制程、高帶寬存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)光刻市場(chǎng)四、光刻“底片”：掩模版五、曝光之外：勻膠顯影十一、相關(guān)公司十二：風(fēng)險(xiǎn)提示六、光刻工藝的參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)提示：光刻技術(shù)相關(guān)設(shè)備材料屬于集成電路上游，周期性較強(qiáng)；設(shè)備折舊成本較高，產(chǎn)能不及預(yù)期對(duì)利潤(rùn)影響較大；相關(guān)產(chǎn)品專利權(quán)被海外巨頭壟斷；設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)，研發(fā)費(fèi)用支出較大；先進(jìn)制程催化光刻機(jī)需求，下游AI產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展不利影響；公司研發(fā)進(jìn)度不及預(yù)期，產(chǎn)能爬坡較慢，毛利率下滑光刻：工藝的起點(diǎn)，也是節(jié)點(diǎn)的先決條件?

光刻工藝是半導(dǎo)體制造技術(shù)中重要組成部分，每個(gè)掩模層均需要光刻作為起始工藝點(diǎn)。一個(gè)具有4個(gè)金屬層、0.13μm的CMOS（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）集成電路制造工藝中，有474個(gè)工藝步驟，使用了超過30個(gè)掩模層，其中212個(gè)步驟與光刻曝光相關(guān)，105個(gè)步驟與使用光刻膠圖像的圖案轉(zhuǎn)移相關(guān)。例如，臺(tái)積電

7nm

DUV工藝掩模層數(shù)增長(zhǎng)至約87層，各掩模層均需要“曝光+顯影”步驟，且根據(jù)工藝需求，如雙圖形化，則需要將一層金屬拆成兩次曝光，那么該層則需要多次曝光和圖形轉(zhuǎn)移。?

光刻的重要性不僅因掩模層的需求，更重要的是它通常決定了下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的限制因素。對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小特征尺寸（線寬/柵長(zhǎng)）以及線距都會(huì)降低至上一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的1/

2（約70%）。這樣，電路密度的降低系數(shù)為2。隨著技術(shù)的進(jìn)步，節(jié)點(diǎn)名稱不再真實(shí)反映最小特征尺寸，但技術(shù)節(jié)點(diǎn)趨勢(shì)命名仍以70%的固定百分比計(jì)算。?

圖表：光刻工藝是半導(dǎo)體制造技術(shù)種重要組成部分，每個(gè)掩模層均需要光刻作?

圖表：

光刻技術(shù)決定下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)尺寸為起始工藝點(diǎn)光刻設(shè)備波長(zhǎng)光學(xué)鄰近修正波長(zhǎng)（（OPC)相移技術(shù)浸沒式光刻多重曝光網(wǎng)格布局/受限設(shè)計(jì)規(guī)則工藝節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)：MKs，龍圖光罩招股說明書，金元證券研究所邏輯芯片光刻與存儲(chǔ)芯片光刻差異?

邏輯芯片金屬互連層較為復(fù)雜，而存儲(chǔ)芯片（DRAM和NAND)的核心存儲(chǔ)陣列由高度規(guī)則的線/間隔結(jié)構(gòu)組成，其線寬和間距通常都被壓到極限且非常均一。對(duì)于DRAM，存儲(chǔ)單元的字線和位線通常采用最小可能的線寬以取得最大電容和最小占用面積。例如，Samsung

D1z代LPDDR5中采用EUV定義的位線墊，其線寬僅約13.5nm?

在邏輯和存儲(chǔ)中，pitch的挑戰(zhàn)有所不同。邏輯電路中最小pitch往往出現(xiàn)在第一層金屬互連和晶體管層。例如7nm邏輯的M1線/槽pitch約為40nm。相比之下，存儲(chǔ)陣列的pitch基本固定在單一最小值，例如DRAM字線pitch整個(gè)陣列內(nèi)恒定（除了邊緣過渡區(qū)），NAND平面柵極pitch也是固定值。這種全局統(tǒng)一的高密度pitch易于光刻工藝優(yōu)化，可以針對(duì)單一周期模式調(diào)校光學(xué)和OPC參數(shù)，使圖形成型最佳。因此在存儲(chǔ)芯片中很少出現(xiàn)局部pitch不匹配的問題。3D

NAND更是通過不減小平面pitch而改為增加層數(shù)，實(shí)現(xiàn)等效高密度——其平面pitch相對(duì)邏輯電路并不算最低，但總密度極高。?

圖表：

3DNAN

高度規(guī)則線寬

線距圖表：

晶體管互連結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，線間距不統(tǒng)一?數(shù)據(jù)：蔡司，金元證券研究所邏輯芯片光刻與存儲(chǔ)芯片光刻差異?

存儲(chǔ)器件掩模的中心區(qū)域是存儲(chǔ)單元部分（cell），他是一塊規(guī)則的一維圖形，其線寬就是這一層的最小線寬，圍繞著存儲(chǔ)單元的是周邊圖形（periphery，外電路)，主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的讀寫功能。相對(duì)而言，存儲(chǔ)單元較為規(guī)則，而外部電路的光刻圖形是二維結(jié)構(gòu)，比較復(fù)雜，與邏輯器件的設(shè)計(jì)圖類似，但其線寬要比存儲(chǔ)單元大得多。?

整體而言，DRAM陣列中的字線/位線幾乎都是按最小寬度和間隔設(shè)計(jì)，沒有邏輯電路那樣的多尺寸混合。對(duì)于光刻而言，簡(jiǎn)化了版圖也有利于光刻工藝優(yōu)化。例如，自對(duì)準(zhǔn)雙重圖形(SADP)非常適合這種嚴(yán)格等間距的線陣列：通過一次曝光形成模版后沉積側(cè)墻即可得到均勻窄于曝光模板一半線寬的密集圖形。?

圖表：

DRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)（外部電路

存儲(chǔ)陣列)?圖表：

DRAM陣列結(jié)構(gòu)相對(duì)一致，有利于光刻優(yōu)化DRAM芯片存儲(chǔ)陣列面積約占55%-60%外部電路(邏輯)數(shù)據(jù)：STInstruments，Applied

Materials,金元證券研究所邏輯芯片光刻與存儲(chǔ)芯片光刻差異?

圖表：

邏輯器件的橫截面圖示?

對(duì)于邏輯器件，由于器件密度提高，在極小區(qū)域?qū)崿F(xiàn)器件之間的連接變得非常困難，不僅前道工藝的特征尺寸在減小，中道、后道也變得越來越復(fù)雜。TaN/Ta金屬阻擋層后道?銅互連（第二層金屬）?

邏輯器件需要多次光刻，有些光刻層的圖形尺寸較大，例如柵極之前的離子注入層；而有些光刻層的圖形較小，例如柵極層和第一金屬層。這些較小的圖形光刻層工藝水平?jīng)Q定了器件的性能和良率，因此也被稱為關(guān)鍵光刻層（critical

layer)。銅互連（通孔層）銅互連（第一層金屬）金屬鎢中道?

例如，在邏輯器件種，確定晶體管區(qū)域的光刻層（shallow

trench

insulate)、柵極光刻層、實(shí)現(xiàn)前后道連接的光刻層（contact）和實(shí)現(xiàn)第一層金屬的光刻層（Metal

1)具有較小的圖形，光刻工藝復(fù)雜，非關(guān)鍵層可以使用上一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)工藝，而關(guān)鍵曾則需要研發(fā)新的工藝。?柵極前側(cè)墻側(cè)墻道?隔離

源極漏極

隔離槽槽柵極長(zhǎng)度硅晶圓（襯底）STISTI數(shù)據(jù)：金元證券研究所邏輯芯片光刻與存儲(chǔ)芯片光刻差異?

新技術(shù)節(jié)點(diǎn)的研發(fā)一般需要新的設(shè)備和材料，這些新設(shè)備和新材料通常都是與新工藝的研發(fā)同步進(jìn)行、逐步成熟的。為了盡早生產(chǎn)出更高性能的器件并推向市場(chǎng)，集成電路生產(chǎn)商在新技術(shù)成熟之前，總是想辦法利用現(xiàn)有的設(shè)備來研發(fā)和生產(chǎn)比現(xiàn)有技術(shù)節(jié)點(diǎn)更小的產(chǎn)品，即所謂的“半節(jié)點(diǎn)”。?

半節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵線寬縮減達(dá)不到70%，但能較早投入市場(chǎng)。例如介于45nm和32nm之間的40nm邏輯器件，介于32nm和22nm之間的28nm邏輯器件。?

圖表：各技術(shù)節(jié)點(diǎn)邏輯器件中的關(guān)鍵線寬45nm45nmSOI40nm40nmBulk32nm32nmSOI28nm28nmBulk22nm22nmSOI20nm20nmBulk16nm16nmBulk14nm14nmBulk10nm10nmBulk邏輯器件節(jié)點(diǎn)(logic

node)襯底材料(substrate)柵極周期(CPP)185nm150nm75nm165nm120nm60nm130nm100nm50nm115nm90nm45nm90nm80nm40nm90nm64nm32nm64nm64nm32nm64nm48nm24nm54nm36nm18nm第一層金屬周期(M1

Pitch)等價(jià)的半周期節(jié)點(diǎn)(DRAM/flash

node)數(shù)據(jù)：《OpticalLithography:

Here

isWhy》BurnJ.Lin，

金元證券研究所光刻flow：涂膠、烘烤、曝光、顯影??光刻工藝的基本流程包含旋涂光刻膠->預(yù)烘烤（前烘）->曝光->顯影。首先在晶圓（或襯底）表面涂覆一層光刻膠并烘干。烘干后的晶圓被傳送到光刻機(jī)里面。光線透過一個(gè)掩模把掩模上的圖形投影在晶圓表面的光刻膠上，實(shí)現(xiàn)曝光（激發(fā)化學(xué)反應(yīng)）。曝光后會(huì)選擇性的通過后烘（post-exposure

bake,

PEB)使得光化學(xué)反應(yīng)更充分。最后將顯影液噴灑到晶圓表面的光刻膠上，使得曝光圖形顯影。涂膠、烘烤、顯影都是在勻膠顯影機(jī)完成的，曝光是在光刻機(jī)完成的。勻膠顯影機(jī)和光刻機(jī)通過機(jī)械手將晶圓在各單元和機(jī)器之間傳送，整個(gè)曝光顯影系統(tǒng)是封閉的，以免晶圓表面的光刻膠會(huì)被污染。但是，器件光刻工藝的前提是完成掩模版的設(shè)計(jì)及制造。光刻技術(shù)基于掩?？蓜澐譃橛醒谀９饪毯蜔o掩模光刻。無掩模版光刻（直寫光刻技術(shù)）受限于生產(chǎn)效率與光刻精度等方面因素，目前還無法滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大規(guī)模制造的需求。?

圖表：光刻工藝的基本流程圖?

圖表：有掩模版光刻流程期望形狀加入后烘，使得光化學(xué)反應(yīng)更充分光刻膠襯底涂覆光刻膠烘烤顯影液曝光系統(tǒng)顯影(Development)涂覆(Coating)預(yù)烘烤

(Pre-Bake)曝光

(Exposure)基于光刻膠性質(zhì)（正/負(fù)），溶解掉感光的區(qū)域（或在特定工藝中溶解掉未感光的區(qū)域）將光刻膠均勻涂抹到整個(gè)基板表面加熱基板使光刻膠由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)根據(jù)模板（掩模版）用光照射基板數(shù)據(jù)：ASML，清溢光電招股說明書，

金元證券研究所光刻“底片”：掩模版??掩模版作為一個(gè)光學(xué)元件位于會(huì)聚透鏡（condenser

lens）與投影透鏡（projection

lens）之間。掩模并不與晶圓直接接觸，掩模上的圖形縮小4-10倍（現(xiàn)代光刻機(jī)一般縮小4倍）后投射到晶圓表面。接觸式光刻（一般沒有縮小倍數(shù)）與投影式光刻不同，投影式曝光中使用的掩模又稱為倍縮式掩模（reticle）。目前，大型集成電路光刻工藝使用的是步進(jìn)-掃描式光刻機(jī)以及與之相配套的倍縮式掩模。為了確保光掩模版（光罩）能夠跨不同型號(hào)的光刻機(jī)通用兼容，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵幾何尺寸都遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。掩模版的核心是一塊尺寸為

152mm

×152mm

(等同于

6英寸

×

6英寸)

的高純度合成石英玻璃基板。這種基板具有優(yōu)異的光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，其標(biāo)準(zhǔn)厚度為

6.35mm

(等同于

1/4英寸)，為整個(gè)掩模版提供了必要的剛性支撐和保護(hù)承載層的基礎(chǔ)。?

圖表：掩模版結(jié)構(gòu)示意圖（a

預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)（b)?

圖表：不同光刻機(jī)用掩模版的對(duì)比機(jī)械手把掩模安放在掩模工作臺(tái)上后，系統(tǒng)使用預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)來確定掩模的位置，使其和平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)，不同光刻機(jī)預(yù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)可能不同掩模倍縮式掩模接觸式(contact)、鄰近(proximity)式曝光光刻機(jī)類型大型步進(jìn)式光刻機(jī)(stepper)掩模上與晶圓上圖形尺寸的比例1:14:1(5:1、10:1)1.可以使用保護(hù)膜(pellicle)，以減少外來顆粒對(duì)成像的影響；2.可以實(shí)現(xiàn)相位移動(dòng)(phase

shift)，以提高成像的對(duì)比度TIS標(biāo)識(shí)用于掩模與晶圓工件臺(tái)之間的對(duì)準(zhǔn)，用于在曝光前進(jìn)行亞微米級(jí)精密校正，補(bǔ)償掩模圖形形變和機(jī)臺(tái)誤差技術(shù)特點(diǎn)曝光時(shí)掩模緊貼光刻膠數(shù)據(jù)：《超大規(guī)模集成電路先進(jìn)光刻理論與應(yīng)用》

韋亞一，

金元證券研究所光刻“底片”：掩模版?

圖表：掩模版制備流程OPCCAM圖像處理邊框設(shè)計(jì)旋涂電子膠?類似光刻膠）電子束基于版圖在基板表面移動(dòng)，曝光曝光光刻顯影刻蝕、清洗檢測(cè)及缺陷修復(fù)數(shù)據(jù)：國(guó)新咨詢，

金元證券研究所光刻“底片”：掩模版??半導(dǎo)體掩模版作為集成電路生產(chǎn)的“母板”，其生產(chǎn)同樣需要光刻。掩模版的制造可大體分為三塊：CAM版圖處理、光刻以及檢測(cè)環(huán)節(jié)。CAM圖形數(shù)據(jù)不同于設(shè)計(jì)公司完成的設(shè)計(jì)圖形（gds或oasis文件），所以必須經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換才能夠用于制版，最后發(fā)送給掩模廠被稱為“tapeout”。數(shù)據(jù)處理的流程圖涉及兩個(gè)部分：1、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）；2、邊框（kerf）設(shè)計(jì)，這里的掩模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備并不包含掩模廠內(nèi)部對(duì)掩模工藝制備的修正(mask

process

correction，MPC)。??由于掩模上圖形尺寸縮小，相鄰圖形之間在光刻時(shí)面臨干涉和衍射效應(yīng)，曝光后會(huì)面臨圖形偏差增大的問題，所以需要通過OPC進(jìn)行修正。隨著尺寸進(jìn)一步縮小，單次迭代修正已經(jīng)不滿足生產(chǎn)工藝需求，需要多次迭代修正，且中間要不斷進(jìn)行檢查和核對(duì)。邊框設(shè)計(jì)是除了器件工藝以外的區(qū)域設(shè)計(jì)。比如，曝光區(qū)域是26mm-32mm，設(shè)計(jì)圖紙中存在4個(gè)芯片，芯片之間和周圍的空白區(qū)域則為邊框。制造完成后，這些芯片會(huì)進(jìn)行切割（dicing）。邊框設(shè)計(jì)是在邊框區(qū)域放置光刻工藝需要的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)、測(cè)量線寬用的圖形、套刻誤差測(cè)量圖形（overlays

marks）、以及CMP工藝用于監(jiān)控研磨程度的圖形。?

圖表：邊框設(shè)計(jì)中的符號(hào)類型（舉例）?

圖表：OP

優(yōu)化掩模標(biāo)識(shí)掩模版套準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)位置，用于光刻機(jī)與晶圓的對(duì)準(zhǔn)定位。（全局基準(zhǔn)）AIMIDAIMKLA標(biāo)識(shí)掩模版上預(yù)留給對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記（如十字線、光柵）的關(guān)鍵區(qū)域。1xublm與AIMID類似，但更小，可以放置在chip內(nèi)部TF

(turning

fork)用于測(cè)量線寬標(biāo)識(shí)掩模版上的對(duì)位標(biāo)記（Fiducial

Mark），供光學(xué)系統(tǒng)識(shí)別AIMFIDAIMSMAIMTRG模板方位。標(biāo)識(shí)掩模版上的測(cè)量結(jié)構(gòu)（如套刻精度盒），用于監(jiān)控曝光對(duì)準(zhǔn)精度。標(biāo)識(shí)掩模版邊框上的特定目標(biāo)區(qū)（如工藝監(jiān)控圖形），用于輔助定位或檢測(cè)。CAS用于確定die的邊角PLYALIGNStitch

markScanneralignment

marks用于確定曝光區(qū)域的左下角（0，0）用來確定曝光區(qū)域之間的對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)：艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)，

金元證券研究所光刻“底片”：掩模版??掩模圖形通常不是通過光罩復(fù)制得到的，而是采用直寫光刻方式直接在空白掩模基板上生成圖形。根據(jù)工藝節(jié)點(diǎn)和所需精度，直寫設(shè)備包括高精度激光直寫機(jī)或電子束直寫機(jī)。對(duì)于較“大”的線寬（通?！?30nm的掩模最小線寬），可采用激光直寫；而先進(jìn)節(jié)點(diǎn)（130nm及以下甚至到幾十納米尺寸）由于激光衍射帶來的分辨率限制，一般采用電子束直寫光刻，以確保圖形精度在曝光過程中，計(jì)算機(jī)控制光束（激光或電子束）按預(yù)定的版圖數(shù)據(jù)在涂膠的掩?；嫔现瘘c(diǎn)刻寫，將設(shè)計(jì)圖形的潛像記錄在光刻膠中。直寫曝光是掩模制備中技術(shù)含量最高的步驟之一，要求極高的定位精度和穩(wěn)定的光束控制。?

圖表：玻璃鍍鉻掩模

（CO

）的流程輻射源：激光束/電子束鉻層電子膠鉻層石英/玻璃襯底4、去除電子膠石英/玻璃襯底1、將旋涂電子膠的襯底通過電子束曝光電子膠鉻層石英/玻璃襯底2、顯影液完成顯影保護(hù)膜電子膠鉻層石英/玻璃襯底鉻層石英/玻璃襯底5、最后在頂部貼裝保護(hù)膜，防止灰塵顆粒掉落在掩模圖形側(cè)3、通過等離子刻蝕機(jī)完成刻蝕數(shù)據(jù)：halbleiter，

金元證券研究所光刻“底片”：掩模版相移掩模（Phase

Shift

Mask,

PSM）雙極型掩模版（Binary

Mask)相移掩模是在掩模透光區(qū)域引入相位調(diào)制元件，使透過相鄰開口的光波產(chǎn)生一定的相位差，從而利用干涉增強(qiáng)成像對(duì)比度的一種技術(shù)。基板通常為透明（熔融石英）和不透光的遮光層，遮光層典型材料為鉻（Cr)，光線只能透過未被遮擋的區(qū)域曝光到光刻膠上,這種“二元”強(qiáng)度分布使晶圓上形成高對(duì)比度的圖像。制造工藝：制作PSM通常需要多步圖形加工。例如對(duì)嵌入式衰減PSM，要精確控制相移模厚度，常采用雙層結(jié)構(gòu)：一層半透相移模+一層薄鉻作為硬掩模刻蝕，然后經(jīng)歷兩次曝光刻蝕分別定義遮光圖形和相移圖形在32

nm節(jié)點(diǎn)以后，具有更高光學(xué)密度的Molybdenum

Silicide（MoSi）被引入作為新一代遮光層材料，以較薄厚度達(dá)到相同遮光效果，取代傳統(tǒng)Cr層。這種采用不透明MoSi的二元掩模即OMoSi-BIM（OpaqueMoSion

Glass掩模版成像優(yōu)勢(shì)：相移掩模最大的貢獻(xiàn)在于突破光刻瑞利衍射極限，提高了在同一數(shù)值孔徑/波長(zhǎng)下的分辨率近一倍。通過引入相干相消干涉，PSM能夠顯著提高像面邊緣的光強(qiáng)坡度，減少鄰近散射。例如采用Alt-PSM時(shí)，相鄰開口相位相反，使兩束衍射光在圖形邊界相互抵消，從而銳化邊緣、降低臨近光強(qiáng)優(yōu)勢(shì)：二元掩模利用光強(qiáng)對(duì)比成像，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)光刻節(jié)點(diǎn)（如90

nm及以上）。然而，當(dāng)圖形線寬接近曝光光源波長(zhǎng)時(shí)，二元掩模成像的衍射模糊明顯，分辨率受限。在28

nm及以下先進(jìn)節(jié)點(diǎn)中，單純使用BinaryMask難以滿足分辨率需求，需要借助光學(xué)鄰近校正（OPC）和多重曝光技術(shù)來彌補(bǔ)，但這增加了工藝復(fù)雜度和成本。交替相移掩模（Alt-PSM）又稱交變移相掩模。通過在相鄰?fù)腹獯耙胂喾吹南辔唬ǖ湫蜑?90°和?90°，凈相差180°）以使相鄰光束相互抵消。高透射率相移掩模?High

Transmission

PSM）掩模版衰減相移掩模（AttenuatedPSM,

Att-PSM）又稱半透移相掩模。其特點(diǎn)是將遮光層本身換成一種具有一定透過率的相移材料（如摻鉻的MoSi氧化物），使遮光區(qū)允許一小部分光透過（通常透射率僅幾個(gè)百分點(diǎn)），同時(shí)該材料的光學(xué)厚度確保透射光相對(duì)于透明區(qū)光偏移約180°相位基于新材料的二元掩模版負(fù)型MoSi材料，通過調(diào)整MoSi膜的成分或工藝使其產(chǎn)生特殊的相位行為，從而在遮光的同時(shí)對(duì)通過光產(chǎn)生特定的相移。利用摻雜調(diào)整MoSi的折射率，實(shí)現(xiàn)對(duì)193

nm光既高吸收又引入“負(fù)相移”（相對(duì)于石英基板形成反向相位差）的效果，用以抵消衍射光暈，提高圖形對(duì)比。高透射率相移掩模（High

Transmission

PSM）為進(jìn)一步改善衍射光利用率，有些Att-PSM掩模采用較高的透過率設(shè)計(jì)（例如15%或20%透射）。這類高透過率衰減掩模通過調(diào)整膜料（如雙層或多層膜stack）實(shí)現(xiàn)既滿足180°相移又提高透光比的平衡。納米復(fù)合型吸收層，即在掩模遮光膜中采用由兩種或多種材料組成的納米級(jí)混合薄膜。例如Ni–TaN等隨機(jī)納米合金吸收層，被用于極紫外（EUV）掩模中以優(yōu)化反射率和相位。這種復(fù)合吸收層通過調(diào)整組分比例，可以精確調(diào)控對(duì)13.5

nm

EUV光的振幅吸收和相位延遲特性。高透射率PSM實(shí)際上是衰減PSM的改進(jìn)分支。傳統(tǒng)嵌入式PSM由于透過率僅~6%，雖然對(duì)比度高，但進(jìn)入晶圓的光劑量也顯著減少，可能需要更高曝光劑量或限制照明設(shè)置。為權(quán)衡分辨率和光強(qiáng)，在某些場(chǎng)合引入了較高透射的相移掩模版。例如通過改變相移模的材料和厚度，實(shí)現(xiàn)15–20%的透射率同時(shí)保持180°相移。曝光之外：勻膠顯影?

圖表：

光刻曝光相關(guān)步驟（舉例，基于實(shí)際工藝需求，順序有?

簡(jiǎn)化的光刻步驟包括旋涂光刻膠->預(yù)烘烤（前烘）->曝光->顯影。所調(diào)整）但是細(xì)分步驟則需要基于掩模層、材料等變化而變化。?

例如，如果底部抗反射圖層（bottom

anti-reflection

coating,BARC)

是無機(jī)的，如硅氮化物、硅氧氮化物甚至某些金屬氧化物，通常使用物理氣相沉積（PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)等技術(shù)沉積，沉積溫度通常非常高，光刻膠無法承受PVD/CVD所需的高溫（通常遠(yuǎn)高于其熱分解溫度）。在真空或反應(yīng)性等離子體環(huán)境中，光刻膠會(huì)被燒焦、變形、分解或徹底損壞，完全失去其圖形化功能。涂覆無機(jī)BARC晶圓清洗晶圓曝光后烘晶圓涂底漆光刻膠顯影堅(jiān)膜涂覆有機(jī)BARC烘培?

涂底漆（如六甲基二硅氮烷）的主要作用是改變晶圓表面性質(zhì)（通常是使其疏水），增強(qiáng)光刻膠對(duì)晶圓表面的粘附力，防止在后續(xù)顯影或蝕刻時(shí)光刻膠剝離。它是在涂光刻膠之前立即施加在最終需要涂光刻膠的表面上的一層薄薄的蒸汽層或液體層。檢查CD變化和對(duì)準(zhǔn)誤差去除BARC涂覆光刻膠涂膠后烘培涂覆TARC圖案轉(zhuǎn)移：刻蝕、剝離、注入?

因此，為了在光刻膠/底層界面引入無機(jī)BARC，唯一可行的方案就是首先在沒有任何有機(jī)涂層（光刻膠或涂底漆）的潔凈晶圓上沉積無機(jī)BARC。涂底漆和光刻膠只能在無機(jī)BARC沉積完成并且晶圓冷卻到安全溫度后才能施加。涂膠后烘培晶圓對(duì)準(zhǔn)剝離光刻膠和ARC曝光之外：勻膠顯影?勻膠顯影機(jī)（Track)主要實(shí)現(xiàn)除曝光以外的其他光刻工藝，包括光刻材料的涂布（光刻膠）、烘烤、顯影、晶圓背面的清洗等功能。對(duì)于浸沒式工藝的晶圓還需要增添晶圓表面的去離子水沖洗等。在工藝流程中，在線檢測(cè)單元可以放在旋涂烘干以后，進(jìn)行膠的厚度及缺陷檢測(cè)；也可以放置在顯影之后，進(jìn)行晶圓上的光刻膠圖形質(zhì)量監(jiān)測(cè)。在線檢測(cè)可以即使調(diào)整工藝參數(shù)，減少工藝中晶圓的返工率。?

圖表：浸沒式193nm光刻工藝的勻膠顯影機(jī)示意圖熱盤冷盤顯影顯影熱盤冷盤清洗（水沖洗）12光刻機(jī)（位置不一定在右側(cè)），根據(jù)FAB空間的安排調(diào)整機(jī)機(jī)械械手手晶圓背部清洗旋涂旋涂旋涂123光刻機(jī)界面工藝處理單元（主體部分）浸沒式工藝單元晶圓盒工作臺(tái)曝光之外：勻膠顯影??工藝處理部分是Track的主體，其包括增粘模塊（adhesion

enhancement）、熱盤（hot

plate）、冷盤（chill

plate)（溫控單元，分別負(fù)責(zé)晶圓在涂膠（Coating）和顯影（Developing）工藝前后的熱處理與冷卻，實(shí)現(xiàn)烘干及冷卻）、旋涂、顯影等主要工藝模塊。涂膠模塊（Coater）：涂膠模塊通過旋轉(zhuǎn)涂布法將均勻薄膜的光刻膠覆蓋于晶圓表面。晶圓被真空吸附在旋轉(zhuǎn)主軸（旋轉(zhuǎn)臺(tái)）上，定量光刻膠液滴滴在中心，隨高速旋轉(zhuǎn)而均勻鋪展形成所需厚度的膠膜。典型工藝可通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)加速度、轉(zhuǎn)速、時(shí)間以及膠液黏度來控制膜厚。許多涂膠單元配有多支涂膠泵和噴嘴以支持不同黏度膠種以及減少換膠停機(jī)時(shí)間?此外，為避免晶圓邊緣產(chǎn)生厚邊（Edge

Bead，晶圓邊緣氣流相對(duì)速度很大），涂膠過程中會(huì)進(jìn)行邊緣珠去除（EBR），常采用溶劑沿晶圓邊緣噴淋溶解多余膠液。每個(gè)涂膠模塊通常還帶有底面沖洗功能（如底部噴嘴），清除晶圓背面可能沾染的膠液?

圖表：光刻膠在邊緣堆積，需要通過邊緣珠去除?

圖表：涂膠模塊工藝流程光刻膠粘度，高粘度導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，需通過溫控/稀釋劑調(diào)整以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)膜厚高速旋轉(zhuǎn)溶劑揮發(fā)表面張力，控制光刻膠在硅片邊緣的收縮行為，過高會(huì)導(dǎo)致邊緣液滴堆積離心力，推動(dòng)光刻膠由中心向邊緣擴(kuò)散凝膠化，溶劑揮發(fā)導(dǎo)致光刻膠表面固化，波紋線象征溶劑分子脫離形成穩(wěn)定固態(tài)薄膜。膜厚調(diào)整，通過控制旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間，調(diào)整光刻膠厚度至目標(biāo)值通過精密滴管將液態(tài)光刻膠點(diǎn)滴光刻膠高速旋轉(zhuǎn)，離心力使光刻膠從中心向邊緣擴(kuò)散離心力，推動(dòng)光刻膠由中心向邊緣擴(kuò)散離心力=

粘度阻力

+

表面張力

+

摩擦力?

轉(zhuǎn)速需根據(jù)光刻膠粘度動(dòng)態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)：ASML，

金元證券研究所曝光之外：勻膠顯影?預(yù)烘與后烘模塊（Bake

Plates）：?軟烘烤（Pre-bake）：典型溫度90~110℃，目的是揮發(fā)溶劑、固化膠膜以提高光刻膠黏附性。光刻膠涂布完成后，晶圓通過機(jī)械手傳送到熱盤附近的冷臂，再由冷臂把晶圓傳送到熱盤的正上方，同時(shí)熱盤內(nèi)置的三個(gè)頂針（pins）升起來承載晶圓。冷臂退出后，晶圓頂針下降，晶圓與盤體接觸，烘烤開始。烘烤完成后，頂針升起，冷臂取走晶圓，在此過程中，冷臂不僅是傳送晶圓，而且第一時(shí)間可以將晶圓溫度降至室溫。?對(duì)于化學(xué)放大型光刻膠，在曝光后還需進(jìn)行后曝光烘烤（PEB），由于光子在光刻膠內(nèi)激發(fā)了光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了酸H+（photoacid），只有在一定溫度下，這些酸才能夠激發(fā)所謂的去保護(hù)反應(yīng)（de-protection

reaction)，以便后續(xù)光刻膠能夠溶解于顯影液。特別是化學(xué)放大膠，后烘烤能產(chǎn)生更多的酸，使光化學(xué)反應(yīng)被放大。因此，后烘烤的時(shí)間于溫度對(duì)光刻膠的性能影響很大。?

圖表：熱盤及烘烤模塊結(jié)構(gòu)?

圖表：無后烘工藝，光刻膠存在“駐波效應(yīng)”冷臂既可以傳輸，也可以用于冷卻Bake冷卻數(shù)據(jù)：《超大規(guī)模集成電路先進(jìn)光刻理論與應(yīng)用》

韋亞一，

Integrated

MicroMaterials，金元證券研究所曝光之外：勻膠顯影?

顯影模塊（Developer）：晶圓經(jīng)過光刻機(jī)曝光后返回Track，進(jìn)入顯影單元。顯影模塊通常采用旋涂顯影（puddle

develop）：在旋轉(zhuǎn)或靜止的晶圓上均勻噴灑顯影液，使其覆蓋并與光刻膠反應(yīng)一段時(shí)間，然后甩干并漂洗。正膠工藝中，曝光區(qū)域光刻膠溶解，未曝光區(qū)保留下來形成圖形。Track的顯影單元配置了高精度的顯影液噴嘴和供液系統(tǒng)，常用定量加壓供給方式，以保證顯影液在整個(gè)晶圓表面同時(shí)起效。由于顯影液黏度低，通常采用加壓罐供液以獲得穩(wěn)定流量。顯影完成后模塊內(nèi)會(huì)噴淋超純水沖洗晶圓，停止顯影反應(yīng)并帶走殘余化學(xué)品，隨后高速旋轉(zhuǎn)甩干晶圓。?

顯影方法可分為三種，包括水坑式顯影（Puddle

Development），將顯影液倒入晶圓中心，并進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn)；浸沒式顯影（Tank

Development），將多個(gè)晶圓同時(shí)浸入顯影液中；噴淋式顯影（Spray

Development），將顯影液噴灑到晶圓上。?

圖表：正性

負(fù)性光刻膠顯影后的不同形貌?

圖表：正性

負(fù)性光刻膠顯影后的不同形貌掩模版正性光刻膠負(fù)性光刻膠曝光區(qū)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，顯影時(shí)不可溶?形成凸起柱狀結(jié)構(gòu)）曝光區(qū)域在顯影液中溶解，形成孔洞數(shù)據(jù)：

Integrated

MicroMaterials，合明科技，金元證券研究所光刻工藝的參數(shù)?

光刻的任務(wù)是將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上，最重要的是圖形的邊緣位置控制。芯片上任何給定邊緣的位置特征必須在標(biāo)稱位置給定的公差范圍內(nèi)。當(dāng)邊緣位置滿足此要求時(shí)，線寬和套刻才能夠?qū)崿F(xiàn)理想圖形。?

臨界尺寸（Critical

Dimension,

CD）是指半導(dǎo)體制造中能夠可靠制備和測(cè)量的最小圖形特征尺寸。在光刻中，CD通常指芯片電路中線條或間距等關(guān)鍵圖形的寬度或間隔，是芯片設(shè)計(jì)和制造的基本尺度。CD的精確控制至關(guān)重要，因?yàn)槿魏纹疃伎赡苡绊懫骷阅芎土计仿省Ｈ绻鸆D偏離設(shè)計(jì)值，可能導(dǎo)致器件無法按預(yù)期工作、產(chǎn)品良率下降，甚至引發(fā)可靠性問題?

套刻誤差（Overlay

Error）指晶圓上不同光刻層之間圖形未能完全對(duì)準(zhǔn)的偏差，即層間疊對(duì)精度誤差，簡(jiǎn)單來說，Overlay衡量光刻機(jī)將當(dāng)前層圖形準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)前一層已存在圖形的能力。每一道光刻步驟都必須與之前制成的結(jié)構(gòu)精確套合，哪怕幾納米的偏差都可能導(dǎo)致上下層互連錯(cuò)位或斷路，從而使器件失效或性能下降。隨著先進(jìn)制程進(jìn)入7nm、5nm甚至3nm節(jié)點(diǎn)，晶圓上50多層掩模疊加，對(duì)準(zhǔn)精度已成為良率的決定性因素之一。當(dāng)前3nm節(jié)點(diǎn)金屬線寬僅約20nm，要求Overlay容差控制在約2nm內(nèi)，約相當(dāng)于圖形尺寸的10%量級(jí)?景深（Depth

of

Focus,

DOF）：

在光刻投影成像中，景深（焦深）指在曝光光學(xué)系統(tǒng)的像平面前后，圖像保持清晰聚焦所允許的縱向容差范圍。換言之，景深是光刻投影鏡頭在不重新對(duì)焦情況下，可以獲得清晰圖形的晶圓表面高度范圍。如果晶圓表面偏離最佳焦平面超過景深范圍，光刻圖形的臨界尺寸和邊緣陡度將明顯劣化。隨著分辨率提高（特征尺寸減小），光學(xué)系統(tǒng)需要更高的NA和更短波長(zhǎng)，這使得景深急劇變窄。景深限制了光刻膠的厚度以及晶圓表面平坦度要求。如果光刻膠太厚或晶圓上前道層次過于起伏，超出景深范圍的區(qū)域?qū)o法準(zhǔn)確成像。因此，為保證整個(gè)圖形都聚焦清楚，通常需要通過工藝手段（例如CMP全局平坦化晶圓表面，控制光刻膠厚度在景深范圍內(nèi)）來配合光學(xué)系統(tǒng)的景深限制。景深不足還會(huì)降低工藝產(chǎn)量：當(dāng)焦距偏離時(shí)，圖形尺寸會(huì)變化，導(dǎo)致芯片性能不一致甚至缺陷。因此，在先進(jìn)光刻中，分辨率固然重要，但確保足夠的景深以獲得穩(wěn)定的工藝窗口同樣關(guān)鍵簡(jiǎn)而言之，分辨率決定能刻多小的特征，而景深決定這些特征能否在整個(gè)晶圓上穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)光刻機(jī)分類光刻機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域按自動(dòng)化程度按晶圓尺寸適配其他按曝光光源波長(zhǎng)按曝光方式掩模/光罩制造曝光半導(dǎo)體光刻機(jī)手動(dòng)光刻機(jī)半自動(dòng)光刻機(jī)全自動(dòng)光刻機(jī)設(shè)備4英寸、6接觸式光

接近式光

投影式光紫外（UV）光英寸刻機(jī)刻機(jī)刻機(jī)刻機(jī)激光直寫面板光刻機(jī)8英寸、12英寸步進(jìn)式深紫外（DUV）光刻機(jī)步進(jìn)-掃封裝光刻機(jī)描式極紫外（EUV）光MEMS、光電子器件等刻機(jī)數(shù)據(jù)：金元證券研究所光刻機(jī)分類?

根據(jù)曝光方式和光學(xué)成像原理的不同，光刻機(jī)主要分為三大類型：接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)和投影式光刻機(jī)。接觸式和接近式光刻采用1:1比例直接將掩模圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上，而投影式光刻通過成像光學(xué)系統(tǒng)以縮小倍率（如4:1）將掩模圖形投影到晶圓光刻膠上。隨著半導(dǎo)體特征尺寸不斷縮小，投影式光刻逐漸成為主流，并發(fā)展出步進(jìn)式和步進(jìn)掃描式兩種技術(shù)路徑，以提高視場(chǎng)和分辨能力。?

接觸式光刻機(jī)是最早期的曝光方式。在系統(tǒng)中，掩模版（光罩）與涂有光刻膠的晶圓表面直接緊密接觸，然后從掩模上方照射紫外光或可見光，使光通過掩模上透明圖形區(qū)域曝光光刻膠，完成圖形轉(zhuǎn)移。接觸式（或接近式）光刻的曝光過程：光源發(fā)出的平行光經(jīng)簡(jiǎn)單聚光后直接照射掩模并曝光下方晶圓上的光刻膠層，曝光完成后經(jīng)過顯影過程得到所需圖形?

接觸式光刻機(jī)的曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括光源、掩模對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和晶圓載臺(tái)等。早期常用的光源是汞燈（如g線436nm或i線365nm汞弧燈），通過光學(xué)濾光和簡(jiǎn)易聚光后照射掩模。接觸式光刻采用“接觸印刷”的原理，類似于橡皮圖章蓋印。曝光時(shí)掩模和晶圓完全接觸，光刻膠緊貼掩模上的圖形區(qū)域。紫外光從掩模上方照射，穿過掩模透明區(qū)域直接在光刻膠中形成圖像，由于沒有成像透鏡，掩模圖案幾何尺寸不發(fā)生變化。?

接觸式光刻的主要優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、曝光能量利用率高和分辨率相對(duì)較高。由于無成像透鏡衍射效應(yīng)，掩模圖形幾乎直接復(fù)制到晶圓，因此在波長(zhǎng)一定時(shí)接觸式比非接觸成像可以得到更小的線寬。然而，其缺點(diǎn)也十分明顯：掩模版與晶圓反復(fù)直接接觸會(huì)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致掩模圖形劃傷和晶圓顆粒污染，嚴(yán)重影響良品率。掩模需要頻繁清洗和更換，提高了生產(chǎn)成本。此外，每次曝光整個(gè)晶圓，無法針對(duì)單個(gè)芯片區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化，制約了產(chǎn)能和靈活性。因此，接觸式光刻僅適用于早期特征尺寸較大的芯片制造。隨著集成度提高和良率要求提高，接觸式光刻在20世紀(jì)70年代后逐步被改進(jìn)的接近式和投影式光刻技術(shù)取代。?接近式光刻機(jī)由光源、掩模對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、可控間隙機(jī)構(gòu)和晶圓臺(tái)等組成。曝光前，掩模與晶圓依然通過對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)完成圖形重疊，但并不緊密接觸，而是利用墊片或氣墊保持一固定的平行間隙。該間隙通常充入氮?dú)獾榷栊詺怏w以避免氧氣吸收光線。曝光時(shí)，紫外光經(jīng)過掩模版照射到下方一定距離處的光刻膠層上，由于存在間隙，光刻膠上形成的圖形不再是掩模圖形的完全接觸復(fù)制，而會(huì)受到菲涅爾衍射效應(yīng)影響。間隙越大，衍射越明顯，導(dǎo)致成像模糊和臨界尺寸擴(kuò)大。因此接近式曝光實(shí)質(zhì)上屬于“近場(chǎng)”光刻，其成像原理可視為掩模圖形在短距離傳播下的衍射投影。?接近式光刻的主要優(yōu)點(diǎn)是在犧牲部分分辨率的情況下，大幅減少了掩模損傷和污染，提升了生產(chǎn)良率和掩模使用壽命。同時(shí)，因?yàn)檠谀２恢苯咏佑|光刻膠，光刻膠在每次曝光后的殘留物不至于轉(zhuǎn)移到掩模上，保持了圖形轉(zhuǎn)移的穩(wěn)定性。接近式還減少了對(duì)光刻膠厚度不均等的敏感性。然而，其固有缺陷在于衍射效應(yīng)限制了分辨率繼續(xù)提升——間隙一旦存在，無法完全避免光在傳播過程中的衍射擴(kuò)散。這使得接近式光刻難以用于亞微米級(jí)圖形轉(zhuǎn)移，當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入1

μm以下時(shí)代時(shí)，接近式已無法滿足分辨率要求光刻機(jī)分類??投影式光刻機(jī)（Projection

Lithography）通過引入成像光學(xué)系統(tǒng)，從根本上提升了光刻分辨率和對(duì)準(zhǔn)精度。與接觸/接近式直接復(fù)制不同，投影光刻在掩模和晶圓之間增加了一套高分辨率投影物鏡，以縮小倍率將掩模圖形成像到晶圓上。相比于接觸式光刻，避免了掩模直接接觸晶圓造成的污染磨損問題，也利用縮小成像提高了圖形密度和分辨率投影式光刻機(jī)的曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，一般包括照明系統(tǒng)、掩模臺(tái)、投影物鏡、晶圓臺(tái)以及自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、調(diào)焦調(diào)平等輔助系統(tǒng)。其中照明系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生均勻且可控的光束照射掩模，包括光源、濾波器、勻光元件等。光源發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束、整形和勻光后，通過可調(diào)光闌（如環(huán)形、雙極照明光闌）控制光的數(shù)值孔徑和相干性，然后照射到掩模（Reticle）上。掩模臺(tái)用于精確定位6英寸或9英寸掩模版，并配合激光干涉儀系統(tǒng)進(jìn)行亞微米乃至納米級(jí)的位置控制，實(shí)現(xiàn)與晶圓上已有圖形的重疊對(duì)準(zhǔn)?

圖表：投影式曝光簡(jiǎn)化圖?

圖表：接觸式

接近式曝光簡(jiǎn)化圖決定了光源發(fā)出的發(fā)散光束在掩模板平面處是匯聚還是準(zhǔn)直，以及照明場(chǎng)的大小和亮度分布。短焦距→光線更快地匯聚、照度高但場(chǎng)小；長(zhǎng)焦距→光斑大但亮度相對(duì)降低。光源焦距會(huì)聚透鏡鄰近式曝光的分辨率表示為：resolution=3λ（g

?

)?光源??鄰近式曝光的間隙g必須足夠小以滿足?投影鏡頭（Projection掩模版近場(chǎng)成像條件，即λ<g<?

，w為掩模上Optics）在掩模板側(cè)的“物方”焦距，定義了掩模板圖形到鏡頭的共軛成像關(guān)系，也直接影響投影倍率。它和出口側(cè)的焦距共同決定整個(gè)投影系統(tǒng)的等效焦距（f???），以及掩模版?zhèn)鹊臄?shù)值孔徑和照明的入瞳直徑。聚光透鏡?透光孔徑的尺寸，掩模圖形越小，掩模板必須離晶圓越近才能實(shí)現(xiàn)曝光（λ為波長(zhǎng)）焦距投影物鏡1掩模版掩模與光刻膠距離?g)投影物鏡θ2對(duì)應(yīng)晶圓側(cè)的“像方”焦光刻膠距，決定了圖形在晶圓上的成像位置和尺寸。在一個(gè)理想的對(duì)稱投影系統(tǒng)中，入口焦距

:出口焦距

=掩模板大小

:晶圓上圖形大小。光刻膠厚度鏡頭能接收或發(fā)出光束的最大半角。NA=nsinθ=sinθ（空氣中）?z)晶圓焦距晶圓數(shù)據(jù)：金元證券研究所光刻機(jī)分類??投影光刻根據(jù)曝光時(shí)掩模和晶圓的運(yùn)動(dòng)方式，可分為步進(jìn)式（Stepper）和步進(jìn)掃描式（Scanner）兩種。早期出現(xiàn)的步進(jìn)式投影光刻機(jī)在曝光時(shí)掩模保持靜止，物鏡一次成像一個(gè)芯片視場(chǎng)（通常邊長(zhǎng)幾毫米到二十毫米不等），曝光完一塊后，晶圓臺(tái)按設(shè)定步距平移（step）到下一個(gè)芯片位置，再次曝光，如此重復(fù)直至整片晶圓全部芯片完成。步進(jìn)式光刻由于每次曝光面積有限，一次只能覆蓋小視場(chǎng)，因此要求物鏡有足夠大的成像視場(chǎng)直徑才能曝光較大片的芯片，這在高NA下實(shí)現(xiàn)難度很大。此外，隨著芯片尺寸增大，用步進(jìn)方式覆蓋整塊芯片可能需要多次拼接曝光，增加了圖形拼接誤差。為了解決大視場(chǎng)高精度曝光的問題，20世紀(jì)90年代推出了步進(jìn)掃描式光刻機(jī)。掃描式的原理是在曝光時(shí)掩模和晶圓同步移動(dòng)：掩模臺(tái)和晶圓臺(tái)以精確的速度比（等于縮小倍率倒數(shù)，如4:1時(shí)速度比4:1）反向掃描，使物鏡的狹長(zhǎng)視場(chǎng)（曝光窗口）可以覆蓋比自身視場(chǎng)更大的圖形區(qū)域。具體來說，掃描式物鏡的瞬時(shí)成像區(qū)域通常是一個(gè)矩形狹縫（例如寬26

mm、高幾毫米），被稱為掃描曝光窗口。在曝光時(shí)掩模和晶圓相對(duì)移動(dòng)，使該狹縫掃描過整個(gè)掩模圖形高度，從而在晶圓上曝光出一個(gè)完整的大視場(chǎng)圖形（可覆蓋單顆大尺寸芯片）。完成一個(gè)視場(chǎng)掃描后，晶圓臺(tái)再步進(jìn)到下一個(gè)視場(chǎng)起始位置，進(jìn)行下一次掃描曝光。步進(jìn)掃描結(jié)合了早期掃描投影和步進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：一方面，由于每次只需成像狹窄的一條區(qū)域，物鏡有效視場(chǎng)變小，易于在高NA下保證像質(zhì)和均勻性；另一方面，通過掃描可以得到遠(yuǎn)大于物鏡視場(chǎng)的曝光面積，滿足大尺寸芯片曝光需求，同時(shí)掃描運(yùn)動(dòng)平均了光強(qiáng)非均勻性，提升了曝光均勻度?

圖表：步進(jìn)

掃描式運(yùn)動(dòng)方向?

圖表：步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)方向步進(jìn)方向掃描方向數(shù)據(jù)：36氪，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1?

圖表：曝光步驟示意圖?

光刻的曝光步驟：晶圓經(jīng)過涂膠和烘烤后被傳送到光刻機(jī)里，放置到晶圓工作臺(tái)上；同時(shí)，掩模版被放置在光刻機(jī)的掩模工作臺(tái)上。光刻機(jī)的晶圓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)首先需要基于對(duì)準(zhǔn)圖案進(jìn)行晶圓位置調(diào)整，使其能夠與晶圓工作臺(tái)初步對(duì)準(zhǔn)；掩模對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)調(diào)整掩模的位置，使其初步能夠與掩模工作臺(tái)對(duì)準(zhǔn)。開始動(dòng)作機(jī)械手把晶圓放置在工作臺(tái)上晶圓與工作臺(tái)對(duì)準(zhǔn)機(jī)械手把掩模版放置在工作臺(tái)上掩模版與工作臺(tái)對(duì)準(zhǔn)?

光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（alignment

system)做掩模與對(duì)晶圓的對(duì)準(zhǔn)，一般分為粗對(duì)準(zhǔn)（coarse

alignment）以及精細(xì)對(duì)準(zhǔn)（fine

alignment）。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)算出曝光時(shí)的準(zhǔn)確位置以實(shí)現(xiàn)極小的套刻誤差（overlay）光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)尋找對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記?先粗對(duì)準(zhǔn)，后精細(xì)對(duì)準(zhǔn)）測(cè)量對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記以確定曝光位置，接收系統(tǒng)提供的修正?

對(duì)準(zhǔn)完成后，曝光系統(tǒng)移動(dòng)到指定曝光區(qū)域先進(jìn)性聚焦。聚焦系統(tǒng)測(cè)量晶圓表面高度，確定聚焦位置。曝光系統(tǒng)按事先設(shè)定好的曝光能量開始曝光。整個(gè)晶圓的曝光完成后，通過機(jī)械手把晶圓取走，再次送回勻膠顯影機(jī)進(jìn)行后烘和顯影。移動(dòng)到指定曝光位置、聚焦、曝光結(jié)束曝光，機(jī)械手把晶圓取走數(shù)據(jù)：金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1?

光刻機(jī)的分辨率通常由瑞利判據(jù)

Rayleigh

criterion

來近似描述，其表達(dá)式為：λ分辨率

Resolution

=

?1

?NA?

其中：?

縮短波長(zhǎng)λ：采用更短波長(zhǎng)的光源是最直接的手段。每一次光源波長(zhǎng)的躍遷（例如從436nm到365nm、再到248nm、193nm乃至13.5nm(EUV)）都顯著提升了可分辨的最小特征尺寸?

增大數(shù)值孔徑NA：提高投影透鏡的數(shù)值孔徑也能提升分辨率。使用折射率更高的介質(zhì)（如水浸式設(shè)計(jì)）可以使NA超過1.0；高

NA

EUV光刻機(jī)則將NA從當(dāng)前的0.33提升到0.55，以支持更高分辨率（可實(shí)現(xiàn)<8nm特征）?

降低工藝因子?

：反映了光刻工藝的衍射鄰近效應(yīng)和工藝寬容度等因素，降低?

可進(jìn)一步提高分辨率。但?

無法無限減小，通常在0.25~0.3范11?圍內(nèi)受到工藝窗口和光刻膠性能的限制?

通過例如，現(xiàn)行主流的193nm浸沒式光刻機(jī)采用K1

(接近0.25）已接近極限，而多次圖案化（SADP/SAQP）技術(shù)被用來進(jìn)一步突破分辨界限。由此可見，分辨率取決于λ、NA、

?1三者的綜合作用，未來工藝節(jié)點(diǎn)的推進(jìn)將依賴于更短波長(zhǎng)光源、更高NA系統(tǒng)以及先進(jìn)的工藝/材料技術(shù)共同配合。曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1?

光源是決定光刻機(jī)波長(zhǎng)（λ）的核心要素。從I線（365nm波長(zhǎng)）及以上波長(zhǎng)光刻機(jī)一般使用的光源是高壓汞燈。高壓汞燈提供254-579nm波長(zhǎng)的光，隨后通過濾波器可以選擇性的使用I線（365nm）、H線（405nm）或者G線（436nm）為光刻機(jī)提供照明光源。KrF（248nm波長(zhǎng)）和ArF（193nm波長(zhǎng)，包括浸沒式）使用準(zhǔn)分子激光器（excimer）作為光源。準(zhǔn)分子激光器的原理是惰性氣體（Kr、Ar）在電場(chǎng)和高壓環(huán)境下與活潑的鹵族元素氣體（F

、

C?

）反應(yīng)生成不穩(wěn)定的分子（準(zhǔn)分子）。這些不穩(wěn)定的處于激發(fā)態(tài)的準(zhǔn)分子又??不斷分解成惰性氣體和鹵族元素，并釋放出深紫外（DUV）的光子。?

準(zhǔn)分子激光是脈沖式的，所以其關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)有脈沖頻率（repetition

rate）和持續(xù)時(shí)間（pulse

duration）、每一個(gè)脈沖的能量（pulse

energy）及其穩(wěn)定性（energydosestability）、輸出功率（output

power）、波長(zhǎng)的穩(wěn)定性（wavelength

stability）、譜線寬度（spectral

bandwidth，F(xiàn)WHM）?

圖表：以準(zhǔn)分子激光器作為光源的光刻機(jī)?圖表：準(zhǔn)分子激光器關(guān)鍵參數(shù)性能參數(shù)ArF400020KrF200030脈沖頻率/Hz脈沖能量/W能量穩(wěn)定性（30個(gè)脈沖內(nèi)）/%<±0.3<0.3540<±0.550譜線寬度（FWHM）/pm脈沖持續(xù)時(shí)間/ns30數(shù)據(jù)：ASML，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1??激光管內(nèi)含增益介質(zhì)（如ArF/KrF氣體），將電能轉(zhuǎn)化為激光輻射，產(chǎn)生初始寬譜激光。脈沖電源

→

激光管

→

產(chǎn)生初始脈沖激光；光譜優(yōu)化：初始激光

→

線寬壓窄模塊

→

帶寬模塊（監(jiān)測(cè)反饋）

→

輸出窄線寬激光；光束調(diào)控：輸出激光→

光束展寬器（保護(hù)元件）

→

脈沖展寬器（降峰值功率）；調(diào)控后激光→

光束傳輸模塊

→

送達(dá)目標(biāo)位置。其中，線寬檢測(cè)模塊主要保障單色性，光譜中心波長(zhǎng)波動(dòng)范圍；帶寬檢測(cè)模塊主要控制能量穩(wěn)定性（如頻譜平坦度），激光能量分布帶寬由于準(zhǔn)分子激光天然譜線較寬，需要在諧振腔中加入線寬壓窄模塊（如棱鏡、光柵和Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)具），將譜線半高全寬（FWHM）壓窄到典型<0.5

pm的量級(jí)，以滿足光刻投影物鏡對(duì)光譜帶寬的苛刻要求?

圖表：雙腔準(zhǔn)分子激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制器（如電壓、光路校準(zhǔn)、反饋控制）脈沖電源模塊激光管輸出耦合器線寬檢測(cè)模塊光束傳輸模塊線寬壓窄模塊光學(xué)脈沖展寬器光束傳輸模塊光束傳輸模塊帶寬檢測(cè)模塊激光管數(shù)據(jù)：《準(zhǔn)分子激光光刻光源關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》江銳，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1浸沒式氟化氬（ArF）汞弧燈（I線）2004準(zhǔn)分子激光器波長(zhǎng)：365nm波長(zhǎng)漸短、分辨率漸高、技術(shù)復(fù)雜度漸增原理：通過電極放電使汞原子躍遷輻射出該波長(zhǎng)的光工藝節(jié)點(diǎn)：800-250nm波長(zhǎng)：134nm原理：在干式ArF光刻基礎(chǔ)上，在光刻機(jī)鏡頭與硅片間填充水作為介質(zhì)，使193nm波長(zhǎng)光等效波長(zhǎng)縮短。工藝節(jié)點(diǎn)：32-7nm1990汞弧燈1982（G線）波長(zhǎng)：436nm原理：通過電極放電使汞原子躍遷輻射出該波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)工藝節(jié)點(diǎn)：800-250nm2019干式氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子激光器激光等離子體（LPP）波長(zhǎng)：13.5nm氟化氪（KrF）原理：采用激光等離子體（LPP）技術(shù)，通過高功率CO

激光器照射高速運(yùn)動(dòng)的錫液滴，使準(zhǔn)分子激光器20012錫滴轉(zhuǎn)化為等離子體并產(chǎn)生極紫外光1994工藝節(jié)點(diǎn)：22-7nm波長(zhǎng)：248nm波長(zhǎng)：193nm原理：利用氪（Kr）、氟（F）兩種原子，在足夠能量下，形成激發(fā)態(tài)的準(zhǔn)分子，退激時(shí)釋放光子原理：通過氬（Ar）、氟（F）氣體混合物在高壓電場(chǎng)下生成不穩(wěn)定分子，分子退激時(shí)釋放特定波長(zhǎng)的紫外光工藝節(jié)點(diǎn)：130-65nm對(duì)應(yīng)工藝節(jié)點(diǎn)：180-130nm曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1?

EUV光刻采用13.5nm波長(zhǎng)的極紫外光，這種短波長(zhǎng)的光無法由傳統(tǒng)激光介質(zhì)直接產(chǎn)生。當(dāng)前業(yè)界采用激光等離子體光源（LPP）方案，用高功率CO?激光脈沖反復(fù)擊打高速拋射的微小錫金屬液滴，在微小體積內(nèi)產(chǎn)生高溫等離子體，從中發(fā)射EUV光子。錫等離子體發(fā)出的光經(jīng)多層反射鏡收集并過濾，形成帶寬約2%的13.5nm準(zhǔn)單色光。?

EUV光源技術(shù)難度極高：為達(dá)到生產(chǎn)效率要求，光源需在焦點(diǎn)處提供數(shù)百瓦的EUV功率，對(duì)應(yīng)CO?激光輸入功率達(dá)數(shù)十千瓦。此外，等離子體光源效率極低，產(chǎn)生的EUV光僅有極小部分可被收集且傳輸?shù)骄A。目前ASML的EUV光源在焦點(diǎn)功率正朝著千瓦邁進(jìn)，250W

EUV功率能夠達(dá)到每小時(shí)200多片晶圓的曝光速度，而未來追求1000W以上，是為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，以降低每片晶圓的生產(chǎn)成本。但EUV光源仍存在穩(wěn)定性和壽命挑戰(zhàn)，如聚光鏡在高能等離子體環(huán)境中會(huì)逐漸污染或損耗反射率，需定期清潔或更換?

圖表：ASML

EU

光源在焦點(diǎn)功率正朝著千瓦邁進(jìn)?

圖表：ASML

EU

產(chǎn)品矩陣及產(chǎn)能、I

處EU

功率單位面積上曝光所需的EUV光能量中間焦點(diǎn)處產(chǎn)品型號(hào)NA值典型產(chǎn)能(WPH)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)（IF)EUV功率

(W)

（dose，劑量）(mJ/cm2)NXE:3400BNXE:3400C0.330.330.330.330.330.550.55~250

W~250–300

W~300–350

W~500

W20–3020–3030~125~1507nm5nmNXE:3600D~160–200~195–220≥2505nm→3nm3nm→2nm2nmNXE:3800E30NXE:4000F(規(guī)劃)EXE:5000~600

W302nm（初始高NA~500

W（起步）~600–740

W~50~50~185–220≥220）EXE:5200B

(規(guī)劃)sub-2

nm數(shù)據(jù)：ASML，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1??EUV光源波長(zhǎng)縮短到13.5

nm，由于13.5

nm的光在大氣中會(huì)被強(qiáng)烈吸收，EUV光刻系統(tǒng)需在高真空環(huán)境下運(yùn)行，并用多層膜反射鏡代替透鏡成像。目前業(yè)界采用的EUV光源方案是激光產(chǎn)生等離子體（LPP），其基本原理是用高功率激光脈沖轟擊金屬微滴（錫），將其瞬間加熱成高溫等離子體，等離子體在冷卻復(fù)合時(shí)發(fā)出13.5

nm波段的輻射。ASML的方案是通過：首先，液態(tài)錫通過噴嘴在真空腔體中射出直徑約20–30微米的小液滴，以約50,000次/s的速度下落。每顆錫滴在飛行過程中依次被兩次激光擊中——先是一束低能預(yù)脈沖將錫滴展平成“扁餅”狀，緊接著主激光脈沖擊穿展開的錫薄片形成高溫等離子體，產(chǎn)生出EUV光光源內(nèi)部由滴筒發(fā)生器、激光放大器系統(tǒng)和拋物面收集鏡等部分組成：滴筒發(fā)生器精確地產(chǎn)生錫微滴；CO?激光器發(fā)出準(zhǔn)時(shí)雙脈沖擊打錫滴；等離子體向四周發(fā)出的EUV光被多層膜反射鏡收集匯聚，然后通過真空通道進(jìn)入光刻機(jī)的照明/成像系統(tǒng)。由于等離子體噴發(fā)的EUV光朝各個(gè)方向，很大比例無法被收集，且等離子體產(chǎn)生過程中只有約5%能量轉(zhuǎn)化為EUV輻射，因此必須使用超高功率的激光源驅(qū)動(dòng)?

圖表：EU

光源簡(jiǎn)化工作流程?

圖表：通快EU

激光器液錫發(fā)生器以

50,000次/秒

頻率噴射超純錫滴錫滴與CO?激光脈沖共同產(chǎn)生EUV光，并由收集器聚焦激光脈沖電離錫形成等離子體，該激光放大器為每個(gè)錫滴提供峰值功率達(dá)數(shù)兆瓦的CO?激光脈沖錫等離子體輻射出極短波長(zhǎng)的光EUV光通過掩模版曝光晶圓，掩模版相當(dāng)于待成像結(jié)構(gòu)的“負(fù)片”（類同相片底片）數(shù)據(jù)：Trumpf，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1?

國(guó)內(nèi)光刻機(jī)光源持續(xù)突破：?DUV方面：??在ArF方面，科益虹源與中科院相關(guān)研究所合作，成功研制出中國(guó)首臺(tái)193

nm

ArF準(zhǔn)分子激光光源，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，打破了Cymer和Gigaphoton對(duì)光刻激光光源的長(zhǎng)期壟斷。該ArF光源脈沖頻率4–6

kHz，輸出功率60

W量級(jí)，性能達(dá)到當(dāng)代光刻機(jī)主流水平。此前中科院光電研究院等單位承擔(dān)了國(guó)家02專項(xiàng)課題“40W

4kHzArF光刻曝光光源研發(fā)”，并由科益虹源負(fù)責(zé)成果產(chǎn)業(yè)化，目前這一40

W干式ArF光源樣機(jī)已順利通過驗(yàn)收交付。在KrF光源方面，科益虹源也開展了248

nm準(zhǔn)分子激光器研發(fā)，產(chǎn)品覆蓋248

nm干式、193

nm干式以及浸沒式多種型號(hào)。隨著這些突破，國(guó)內(nèi)光刻機(jī)制造商已開始采用國(guó)產(chǎn)DUV光源。例如上海微電子（SMEE）研制28

nm浸沒式光刻機(jī)的計(jì)劃中，就由科益虹源提供光源系統(tǒng)?在EUV光源方面：?激光等離子體LPP路線：中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（上海光機(jī)所）林楠研究員團(tuán)隊(duì)選擇繞開國(guó)外CO?激光方案，改用高功率固體脈沖激光器來激發(fā)錫等離子體。他們成功研制出基于1

μm波長(zhǎng)固體激光驅(qū)動(dòng)的EUV光源實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了3.42%的光轉(zhuǎn)換效率（CE），超過了歐美其他研究團(tuán)隊(duì)同類裝置的水平。雖然這一效率尚未達(dá)到商用CO?激光源5.5%的水平的一半，但團(tuán)隊(duì)估計(jì)通過優(yōu)化有望接近6%的理論極限?放電等離子體DPP路線：哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙永蓬教授團(tuán)隊(duì)則探索了基于電能的等離子體光源技術(shù)，走出另一條路徑。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的裝置通過高能脈沖放電直接產(chǎn)生等離子體輻射13.5

nm光。相比傳統(tǒng)LPP需要高功率激光器，放電等離子體方案利用電能直接激發(fā)等離子體，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)潔，其優(yōu)勢(shì)是不依賴復(fù)雜激光器件。不過目前該技術(shù)功率尚有限，離光刻機(jī)實(shí)用還有較大距離，類似的放電等離子體光源在2017年中科院長(zhǎng)春光機(jī)所也曾取得進(jìn)展（當(dāng)時(shí)已用生成的EUV光刻寫出32

nm間距線條）?同步輻射/自由電子激光路線：清華大學(xué)工程物理系唐傳祥教授團(tuán)隊(duì)提出了穩(wěn)態(tài)微聚束（SSMB）方案，通過儲(chǔ)存環(huán)電子束產(chǎn)生高功率相干EUV輻射的全新方法。2021年他們?cè)凇禢ature》發(fā)表實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用1064

nm激光調(diào)制內(nèi)電子束，使電子在48米環(huán)形軌道運(yùn)行一周后形成微分布，再輻射產(chǎn)生EUV波段光。SSMB有望實(shí)現(xiàn)高亮度、高重復(fù)頻率且窄帶的EUV光源。該方案本質(zhì)上屬于同步輻射/自由電子激光范疇，被認(rèn)為是繞開ASML壟斷EUV路線的一次大膽嘗試曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1??數(shù)值孔徑（NA）是投影光學(xué)系統(tǒng)的重要參數(shù)，NA定義為物鏡工作介質(zhì)的折射率

n

與物鏡可接受光線的最大半錐角

θ

的正弦值，即

NA

=

n

·

sin

θ。其中

n

代表投影物鏡和晶圓之間介質(zhì)的折射率（例如空氣

n≈1.0，水

n≈1.44），θ

是從晶圓上被成像點(diǎn)發(fā)出的光進(jìn)入物鏡時(shí)光錐的最大半角。直觀地理解，NA

描述了物鏡光錐的張角大小，NA

越大，物鏡能夠從樣本點(diǎn)收集的光線角度范圍越寬在波長(zhǎng)一定時(shí)，提高NA可以減小最小線寬，即提高分辨率。但是，NA增加會(huì)導(dǎo)致景深（Depth

of

Focus,DoF）變小。焦深(DOF)是圖像成像在焦點(diǎn)處的垂直距離。在光刻過程中，整個(gè)抗蝕劑層需要足夠高的焦深。焦深也由λ

和NA

定義，表達(dá)式為：???

=

??

?

????

，高??亦帶來景深(???)的下降，NA=1.35的系統(tǒng)焦深僅百納米量級(jí)，意味著晶表面必須非常平坦且自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)精度極高才能保持良好成像。?

圖表：浸沒式Ar

通過增大折射率擴(kuò)大NA?

圖表：數(shù)值孔徑定義投影透鏡液體回收裝置液體供給裝置超純水掃描運(yùn)動(dòng)晶圓臺(tái)光線最大入射角透鏡直徑超純水透鏡中心軸光刻膠氬氟準(zhǔn)分子激光透鏡焦距數(shù)據(jù)：《TheRecent

Progress

of

LithographyMachine

and

the

State-of

artFacilities》、Nikon，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1??EUV投影光學(xué)系統(tǒng)：極紫外光刻（EUV，波長(zhǎng)13.5nm）由于波長(zhǎng)極短，幾乎所有固體材料在該波段都強(qiáng)烈吸收光線。這意味著EUV光刻無法使用透射透鏡來成像，只能采用全反射式光學(xué)系統(tǒng)。EUV投影物鏡由多塊高精度凹面反射鏡組成，每塊鏡子表面鍍有數(shù)十層交替的鉬/硅多層膜（布拉格反射鏡），以在接近法線入射時(shí)提供60-70%的反射率。典型EUV投影系統(tǒng)包含68片反射鏡，工作于真空腔體內(nèi)，整體放大倍率通常為4×EUV投影系統(tǒng)的低NA主要受限于多層反射鏡的物理特性和光路布置。一方面，多層膜反射鏡只有在小入射角（接近法線）時(shí)反射率才高，入射角過大將顯著降低反射效率。另一方面，大NA意味著光線以更傾斜的角度入射和反射，需要更大尺寸的反射鏡以截獲光束，并避免相鄰鏡片之間發(fā)生遮擋。當(dāng)前EUV系統(tǒng)中最大的一片反射鏡直徑約0.65米，繼續(xù)增大鏡片尺寸會(huì)極大增加制造難度和成本。此外，每增加一片反射鏡，光能量損失約30-40%，多鏡片級(jí)聯(lián)會(huì)導(dǎo)致光通量顯著下降?

圖表：EU

投影光學(xué)系統(tǒng)與浸沒式DU

對(duì)比反射掩模

(多層Mo/Si+吸收層)入射光真空

(避免EUV被空氣吸收)透射掩模版曲率反射鏡組(6-8面多層膜反射鏡)折射透鏡組浸沒式：水介質(zhì)NA=1.0×1.35數(shù)據(jù)：《Fastsourcemaskco-optimization

methodforhigh-NA

EUV

lithography》，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1??高

NA

EUV光刻的新方案：為了進(jìn)一步提高EUV光刻分辨率，業(yè)界正研發(fā)高NA

EUV光刻機(jī)（NA≈0.55）。ASML的下一代EXE系列就是一款高NA

EUV機(jī)型，采用了多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先，高NA光學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)展到8片反射鏡，并引入非等倍率（變形）成像技術(shù)：在一個(gè)方向采用4×放大，在垂直方向采用8×放大（即雙倍率、非圓形光闌的非共軸光路設(shè)計(jì)），以減少光瞳中的離軸像差；其次，為容納更大的光線傾角，高NA系統(tǒng)中某些鏡片中央開孔（“打孔反射鏡”設(shè)計(jì)），允許光束通過鏡片中心而不阻擋。這相當(dāng)于在光瞳上產(chǎn)生中心遮擋，但通過光源和像罩優(yōu)化可以將其影響降至可控。高NA

EUV的投入使NA提升67%，預(yù)期最小可打印尺寸將比0.33NA系統(tǒng)進(jìn)一步縮小約70%。不過，高NA也帶來了景深進(jìn)一步收縮、像差校正更困難等挑戰(zhàn)。新系統(tǒng)要求更高精度的波前校正和晶圓對(duì)準(zhǔn)，以及更小的曝光視場(chǎng)（高NA系統(tǒng)單次曝光視場(chǎng)約為26×16.5mm，僅為常規(guī)EUV機(jī)的一半）。即便如此，高NA

EUV被視為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵一步，可用于2nm及以下節(jié)點(diǎn)芯片制造?

圖表：中心遮擋?圖表：高N

光刻透鏡與照明系統(tǒng)0.55NA晶圓倉掩模臺(tái)遮擋高角度雜散光

→降低彗差（Coma）和像散（Astigmatism）?）新框架量檢系統(tǒng)晶圓臺(tái)冷卻罩強(qiáng)熱控制和動(dòng)態(tài)控制，支持更大的光學(xué)組件數(shù)據(jù)：《TheRecent

Progress

of

LithographyMachine

and

the

State-of

artFacilities》，金元證券研究所曝光的核心要素：波長(zhǎng)、NA、k1?

DUV投影物鏡主要采用折射式透鏡，其可用材料極為有限。常用的是熔融石英（石英玻璃）和氟化鈣（CaF?）晶體。熔融石英（摻氟石英）在193nm具有>99%/c