集成电路的飞速发展有赖于相关的制造工艺—光刻技术的发展,光刻技术是迄今所能达到的最高精度的加工技术。
集成电路产业是现代信息社会的基石。集成电路的发明使电子产品成本大幅度降低,尺寸奇迹般减小。以计算机为例，1946年诞生的世界第一台数字计算机重30吨,占地约140平方米。而集成电路将晶体管、电阻、电容等电子元件连接在小块的硅片上,可使计算机体积更小,功耗更低,速度更快。自1958年世界上第一块平面集成电路问世,在短短五十多年间,半导体及微电子技术突飞猛进的发展,带动了现代信息技术的腾飞。集成电路的发展与其制造工艺─——光刻技术的进步密不可分。
光刻技术的发展史
光刻技术是利用光化学反应原理和化学、物理刻蚀方法将掩模板上的图案传递到晶圆的工艺技术。光刻的原理起源于印刷技术中的照相制版,是在一个平面上加工形成微图形。光刻技术按曝光光源主要分为光学光刻和粒子束光刻(常见的粒子束光刻主要有X射线、电子束和离子束光刻等)。其中光学光刻是目前最主要的光刻技术,在今后几年内其主流地位仍然不可动摇。光刻技术的进步使得器件的特征尺寸不断减小，芯片的集成度和性能不断提高。在摩尔定律的引领下,光学光刻技术经历了接触/接近、等倍投影、缩小步进投影、步进扫描投影等曝光方式的变革。曝光光源的波长由436纳米（G线）,365纳米(Ⅰ线)，,发展到248纳米(KrF)，再到193纳米( ArF)。技术节点从1978年的1.5微米、1微米、0.5微米、90纳米、45纳米，一直到目前的22纳米。集成电路的发展始终随着光学光刻技术的不断创新向前推进。光刻机（也称光刻系统）是光刻技术的关键装备,其构成主要包括光刻光源、均匀照明系统 、投影物镜系统、机械及控制系统(包括工件台、掩膜台、硅片传输系统等)。其中光刻光源是光刻机的核心部分。随着集成电路器件尺寸的不断缩小,芯片集成度和运算速度的不断提高,对光刻技术曝光分辨率也提出更高的要求。光学分辨率是指能在晶圆上成像的最小特征尺寸。对于光学投影光刻系统而言,其分辨率由瑞利公式决定:
R= k1λ/NA
式中,k1为工艺因子,对于单次曝光k1为0.25,λ为光波长,NA为投影物镜的光学数值孔径。
由此可知,改进光学分辨率的方法有三条途径:一是降低k1值;二是提高数值孔径NA;三是降低波长。在这些途径中，增大数值孔径和缩短曝光波长是通过改变曝光设备实现的,而k1因子的降低则是通过工艺技术的改进去实现的,如投影曝光系统各阶段采用的分辨率增强技术主要包括偏振光照明、相移掩模板、离轴照明等。
降低曝光光源的波长是光刻技术和设备的一个重要发展趋势。半个世纪以来随着光刻技术的发展,特征尺寸随之减小。在196O年代,半导体芯片制造商主要使用可见光作为光源。到
了1980年代,光刻主要应用高压放电汞灯产生的436纳米(G线)和365纳米(I线)作为光源。汞灯普遍应用于步进曝光机,从而实现0.35微米的特征尺寸。放电汞灯辐射250纳米紫外光的应用,首次实现了降低光刻光源波长的需求,但随着集成电路技术节点向纳米级发展,光刻机光源也很快从近紫外波段的汞灯光源发展到深紫外波段的准分子激光。应用的主要光源从KrF准分子激光器248纳米激光，ArF准分子激光器193纳米激光到F2准分子激光器157纳米激光。当光源波长发展到157纳米,由于光刻胶和掩膜材料的局限,图形对比度低等因素,使得157纳米光刻技术的发展受到很大限制。
但研究人员发现可以作为浸没液的水对193纳米光波几乎完全透明,充人浸没液后，193纳米光源等效波长小于 157纳米,同时投影透镜数值孔径也有很大的提高。另外193纳米光刻机技术相对成熟,开发者需要重点解决的是浸没技术相关的问题,因而采用浸没技术的193纳米光源取代157纳米光源继续成为研究的热点。到了2003年,采用193纳米波长的130纳米工艺已 大规模量产,如当时的奔腾4芯片。
随着双重图形曝光技术的发展,以英特尔(Intel)为代表的芯片制造商已经宣布正式放弃157纳
米的光刻技术,从90纳米工艺一直到未来的45纳米工艺都依赖于193纳米光刻技术。而随着浸没式光刻技术和分辨率增强技术的发展,光刻精度和性能不断提高。2006年国际商业机器公司(IBM)的科学家宣布,他们采用193纳米干涉浸没光刻装置NEMO,制作出29.9纳米的线条，打破了32纳米这一光学光刻极限的预言。采用浸没技术的ArF准分子激光,目前光刻节点已经达到22纳米,未来有可能进一步达到16纳米节点。通过不断创新的光刻技术,摩尔定律仍然得到了保持。
由于可选的光刻曝光光源是有限的,且每更换一种曝光波长,光刻机掩模图样和光刻胶的材料,投影物镜等系统的结构和材料都需更新,因而开发一个新波长的光刻机需要高昂的人力和物力成本,需要多个国家和公司的通力合作方能成功。相对于157纳米光刻技术,193纳米浸没式光刻技术不需要研发新的掩模、透镜和光刻胶材料,193纳米漫没式光刻机甚至可以保留现有193纳米干式光刻机的大部分组件,仅需改进设计部分分系统即可。世界上三大光刻机生产商阿斯麦(ASML)、尼康(Nikon)和佳能(Canon)公司的第一代193纳米浸没式样机都是在原有193纳米干式光刻机的基础上改进研制而成的,大大降低了研发成本和风险。
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