以光为刀的光刻技术

  光的出现以及每一次发展都是人类社会的一大进步：地球上出现的第一个真正（光明）属于人类，或者说猿人的火堆不仅带给了“我们”光明的夜晚，也带给了“我们”生存下去的希望；第二次工业革命电灯泡的出现是人类彻底征服黑夜的标志；1960年5月15日第一台红宝石的诞生大力推动了物理学的前进：1993年三原色中最后一抹蓝色LED被填补，蓝光LED的问世使得节能的白光LED照明得以实现，全球至少15亿人因此直接受益[1]。直到现在，代表人类在光学领域最先进、集大成的光刻技术依然是推进人类社会在科技领域稳步前进的最主要攻坚技术力量。

  之所以说是光刻技术推动科技的发展，是因为任何电子科技类产品都是由各类芯片直接或间接控制的，而芯片的制造离不开这项关键技术。回顾计算机的演进历程，我们正真看到了令人惊叹的变革。我们大家都知道，人类的第一台计算机在1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学诞生，重30余吨，占地约170平方米[2]；然而与现在指甲盖大小就包含数以亿计晶体管的半导体芯片相比，这一台电脑仅仅只有18000个电子管。其中的巨大差异正是光刻技术推动科技发展的生动体现。

  正是由于这项关键技术，才使得我们也可以在微小的硅片上布置数以亿计的晶体管，相比早期的计算机，集成度提高了数千万倍，甚至数亿倍。更高的集成度不仅仅代表着芯片尺寸的减小，更意味着更快的运算速度、更高的数据吞吐量以及能源消耗的极大降低。正是光刻技术的精湛应用，使电子产品变得更加高效、轻巧，同时推动着科技领域不断取得新的突破。因此，从早前的电子管时代到如今的半导体芯片革命，光刻技术一直是科技发展的不可或缺的引擎之一。

  因此这也是全世界内炙手可热的话题，全球具有先进光刻技术的公司屈指可数，而仅三家公司 ASML、Nikon和Canon就占据了2022年光刻机市场的98%，这其中ASML公司又有着绝对的技术与设备领头羊[3]。这其中最最广为人知的就是来自ASML公司的极紫外（EUV）光刻机：EUV光刻是目前可以在一定程度上完成最小制造尺寸的光刻技术之一。其光源波长通常在13.5纳米左右，但实际制程的分辨率并不等同于波长，这受到整体光刻系统的调制，这种系统能将EUV光反射并聚焦到硅片上，以实现比光源波长更小的制程。

  现在世界上最锋利的“刀”就是EUV，图1为上海市市区的俯瞰图，而图二为英特尔公司的芯片宣传图，其纳米级的晶体管被EUV这把“刀”细致地“雕刻”在指甲盖大小的硅片上，圆圈中是放大一亿倍（由纳米放大到米级尺度）的图像，能够正常的看到这就相当于是一个建立在硅片上的超级城市。读者可以注意到这里的“刀”和“雕刻”我都标注了双引号，说明它不是真正意义上的刀，光刻也并不是真的在硅片上雕刻。

  光刻技术在半导体制造中的演进是科技发展的重要里程碑。最初采用紫外光刻，制程尺寸（UV，365 nm）相对较大；随后，深紫外光刻（DUV，248 nm和193 nｍ）技术取代传统方法，通过波长更短的光源提高分辨率，实现了更小的芯片制程。进一步，极紫外光刻（EUV）技术引入了约13.5 nm的波长，克服了传统光刻中波长限制，推动了芯片制程尺寸的进一步减小[4]。多重光刻技术的出现应对了芯片结构的复杂性，通过多次光刻步骤和不同的光掩模实现更复杂的设计。除此之外，先进材料和技术的不停地改进革新也推动了光刻技术的进步，包括更先进的光刻胶、反射镜技术等。光刻技术的这些演进旨在实现更高的分辨率、更小的制程尺寸，满足一直增长的芯片性能和集成度需求，推动着半导体产业的不停地改进革新和发展。

  光刻最核心的一步其实就是由光源来刻蚀涂附在硅片表面上的光刻胶，是因为虽然极紫外光线的能量很高，但是也没能力精细地在硅片上雕刻出平整的沟槽。光源通过光掩模照射在光刻胶上从而按照光掩模上的图案去腐蚀光刻胶。

  图3 蔡司半导体制造技术-光刻及掩膜技术宣传片图；（a 照射光源通过光掩膜聚焦在涂有光刻胶的晶圆上；（b 光线照射到光刻胶（蓝色部分）上后对其进行刻蚀；（c 刻蚀后的硅片上留下未经过曝光的光刻胶（蓝色部分），被曝光刻蚀掉的部分暴露出下方的硅片；（d 通过垂直方向粒子束轰击暴露出的硅面形成沟槽；（e 去除附着在硅面上的光刻胶后完成光刻。

  光掩模是一个透明的玻璃或石英板，上面有要被设计在芯片表面的复制图案。在光刻过程中，光掩模充当一个模板，决定了要在硅片上生成的图案。光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光掩模上的图案投射到光刻胶上，形成所需的图案。这个图案随后被转移到硅片表面，定义了电路元件的位置和形状。如图3所示这个图案由光刻光源照射到光刻胶上，然后通过光学方式传递到硅片表面，首先在硅片表面的光刻胶上形成微小的电子元件结构图。整体过程如图3-a所示，光源自上而下先透过光掩模，再聚焦到涂有光刻胶的硅晶圆上如图3-b，从而在光刻胶上形成初步的电路结构如图3-c[5]，被刻蚀掉的区域将会暴露出下方的硅片，从而能够进一步对硅片本身进行雕刻，通常使用粒子束轰击的方式将沟道刻蚀出来如图3-d所示，最后洗去原来未经曝光，并且在3-d步骤中保护无需刻蚀区域的残留光刻胶，最终得到3-e图中的芯片电路结构。

  上文中所提及的“制程”，其实就是能在硅片上刻出沟道的最窄宽度，简单的理解就是用小刀在硅片上划出一道沟痕，而这个沟痕的宽度就是这一个小刀所能达到的极限制程。而显而易见随着集成度的提高，从一开始的UV、到DUV，直到现在EUV极限制程可达3 nm左右，这个发展过程随着制程的减小，所用光源的波长也在逐渐减小到如今的13.5 nm。为何会这样呢？

  这是因为光波衍射效应的存在，实际上光线并不是一定按着直线传播，它有着类似于波动一样的性质。在小到一定的尺度下，光波可以形象地理解成飞舞的丝带如图4-a，而丝带的形体就像是正弦函数图像如图4-b。而正弦函数的一个周期的横向长度就可以类比于光波的波长，当物体的尺寸远大于波长时，光就是我们平常所看到的那样，沿直线传播。此时，当光线遇到一个物体例如说人的手掌，很明显他会得挡住，不可能会绕过手掌继续向前传播，就像是丝带上下挥动时如果有一面墙迎面靠近，那么丝带将会撞上墙壁；而当物体的尺寸接近于光的波长时，那么它将与我们日常所理解的就不一样了，它可能会绕过遮挡物继续传播，此时，当光线遇到一个比其波长更小的物体时，它会绕过这个物体继续传播，就像是体操运动员大幅度的上下挥动手中的丝带，当迎面遇到一个飞来的乒乓球，那么此时，丝带可完全绕过乒乓球，这就是光波的衍射效应。

  当制程逐渐缩小时，我们大家可以简单的理解为光掩模上为遮挡光线的图案所绘制的线条变细了，这将会直接引发如图3-c中为经过被图案挡住从而未经过曝光所留下的光刻胶宽度变细，也就是沟道的间隔将可以缩小，从而制程变小。而这个最小宽度要是比最终照射的光源波长还小，即光掩模上为遮挡光线的图案所绘制的线条宽度与比波长小，那就会导致光波绕过图案的遮挡线条过度曝光下方的光刻胶，这是不允许发生的。所以随着制程的减小，为避免衍射效应的发生，也要同步降低光源的波长。