光刻機的分辨率受光源波長（λ）、工藝因子（k1）和數(shù)值孔徑（NA）三個主要參數(shù)的影響。根據(jù)瑞利第一公式（CD = k1*λ/NA），這三個參數(shù)共同決定了光刻機的分辨率。

芯片制造是一個復(fù)雜的過程，其中光刻技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。光刻是指在特定波長光線的作用下，將設(shè)計在掩膜板上的集成電路圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的光刻膠上的技術(shù)工藝。為了完成圖形轉(zhuǎn)移，需要經(jīng)歷沉積、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對準(zhǔn)與曝光、后烘、顯影、堅膜烘焙、顯影檢測等八道工序。之后將繼續(xù)進行刻蝕、離子注入、去膠等步驟，并根據(jù)需要多次制程步驟，最終建立起芯片的“摩天大樓”。

光刻技術(shù)的核心地位

光刻工藝在集成電路制造中占據(jù)著極其重要的位置，幾乎占用了整個晶圓制造時間的40%-50%，并且費用約占芯片生產(chǎn)成本的三分之一。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，重復(fù)步驟的數(shù)量也在增加。對于先進的芯片而言，可能需要進行20到30次光刻，以實現(xiàn)所需的功能和性能。

決定光刻機分辨率的關(guān)鍵因素

光刻機的分辨率受光源波長（λ）、工藝因子（k1）和數(shù)值孔徑（NA）三個主要參數(shù)的影響。根據(jù)瑞利第一公式（CD = k1*λ/NA），這三個參數(shù)共同決定了光刻機的分辨率。在過去35年間，通過不斷改進這三個參數(shù)，分辨率已經(jīng)降低了兩個數(shù)量級。

光源波長（λ）：從最初的汞燈光源436 nm g-line到現(xiàn)在的極紫外光源13.5nm EUV，光源波長的縮短一直是光刻機發(fā)展史上的主要方向。

工藝因子（k1）：這一因子涵蓋了光刻工藝中對分辨率影響的諸多因素，包括光照條件的設(shè)置、掩模版設(shè)計以及光刻膠工藝等。ASML認(rèn)為其物理極限在0.25。

數(shù)值孔徑（NA）：NA = n * sin θ，其中n為介質(zhì)折射率，θ為鏡頭聚焦至成像面的角度。增大NA可以提高分辨率，但同時也會減小焦深（DoF），后者由瑞利第二公式（DoF = k2λ/NA2）確定。

光刻機的演化

光刻機的演化經(jīng)歷了五個階段，波長從最初的436 nm縮小了約30倍，達到現(xiàn)在的13.5 nm，這使得對應(yīng)的工藝節(jié)點從微米級升級到了最先進的3 nm。這一波長的縮短支撐了摩爾定律的發(fā)展，同時也推動了光刻機在分辨率和加工效率方面的不斷進步。

光源的演進

20世紀(jì)六七十年代，接觸式光刻技術(shù)被用于IC制造的初期，當(dāng)時采用可見光作為光源。到了80年代，技術(shù)轉(zhuǎn)向了高壓汞燈產(chǎn)生的紫外光（UV），特別是g線和i線，其中365 nm的i-line可以將最高分辨率推至220 nm。隨后，IBM/Cymer等公司在80年代中期開始研發(fā)深紫外（DUV）準(zhǔn)分子激光，使得分辨率分別達到了KrF（110 nm）和ArF（65 nm）的水平。采用ArF光源的第四代光刻機成為了目前應(yīng)用最廣泛的一代。然而，隨著工藝節(jié)點發(fā)展到7 nm及以下，20世紀(jì)初期產(chǎn)業(yè)聯(lián)合研發(fā)了第五代EUV光刻機，使用13.5 nm的極紫外光，比DUV光短14倍以上。

提高數(shù)值孔徑（NA）的方法

為了提高分辨率，除了縮短光源波長外，還可以通過增大NA來實現(xiàn)。具體方法有兩種：一是增加投影物鏡的直徑，使更多的衍射光被收集并聚焦在晶圓表面，從而提高數(shù)值孔徑。但是，當(dāng)線寬小于65nm時，這種方法會因光角度過大而導(dǎo)致光線無法聚焦。二是采用浸沒式光刻技術(shù)，在投影物鏡和晶圓之間加入水，從而增大介質(zhì)折射率，實現(xiàn)等效波長為193/1.44=134 nm，這比F2（157 nm）更短，且系統(tǒng)升級更加便捷。目前，ASML的濕法DUV NA最大可達1.35，而EUV光刻機正在從0.33NA向0.55NA突破。

分辨率增強技術(shù)（RET）

為了突破傳統(tǒng)衍射極限，分辨率增強技術(shù)（RET）被廣泛應(yīng)用。RET包括離軸照明（Off-Axis Illumination）、光學(xué)鄰近校正（Optical Proximity Correction）、移相掩模（Phase Shift Masking）、添加亞分辨率輔助圖（Sub-Resolution Assist Features）等方法，通過改變掩模的振幅或相位、調(diào)整光源入射角度等方式來提高分辨率、增加焦深、改善圖形質(zhì)量。此外，多重曝光技術(shù)也被用來實現(xiàn)超越光刻機理論分辨率的精度。