前言

半导体集成电路技术已成为我国信息技术发展的重要环节。 虽然近年来我国集成电路产业发展势头迅猛，但还缺乏关键技术，尤其是关键设备，如光刻机、光学检测设备、涂胶显影机、扫描电子显微镜和套刻测量显微镜、缺陷检测设备、高端193nm浸没式光刻胶、抗反射层、高端显影液等。此外，光刻计算软件和自动化设计软件等主要依赖进口。 由于外国供应商对我国技术出口的限制和各种控制，我国的光刻工艺工程人员很难从工作中比较系统地了解设备和材料的设计原理与构造，需要长时间地积累、分析和总结。 同时，我国的设备、材料和软件研发厂商也对现代光刻工艺的苛刻要求体会不深。 

作者基于在国内外多家集成电路公司技术研发的工作经历及经验，并结合自己多年来分析总结的各种理论和实践知识，编写了本书。 希望通过本书建立起联系工业界芯片制造中的光刻工艺研发和国产光刻设备、材料、计算软件的研发，以及大专院校、科研院所科学技术研究的一座桥梁，以此抛砖引玉，促进国内各单位的相互了解、紧密合作，同时促进跨领域科技人才的培养，以期我国能够早日在光刻整体技术上赶上发达国家，摆脱关键技术长期依赖进口的局面，化解高新技术发展被“卡脖子”的巨大风险，为我国信息科技的可持续、健康发展出一份力。

本书聚焦光刻工艺的研发，同时以工艺研发为视角，详细介绍和分析了重要的设备，如光刻机、涂胶显影机、光掩模电子束曝光机、线宽测量扫描电镜、套刻测量显微镜、缺陷检测设备、其他测量设备，以及极紫外曝光机。同时，对光刻材料，如光刻胶、抗反射层做了深入分析。此外，还对光刻仿真软件、光学邻近效应修正软件算法做了详细推导和分析。在总结过去国际光刻技术研发和技术发展历程的同时，提出了光刻工艺研发和工艺评价的行之有效的改进标准，包括对各种工艺窗口参数的分析和最佳范围的设定，还提出了独到的工艺设计和评价方法。 本书可供大专院校微电子、集成电路等相关专业的教师和学生，以及科研院所、集成电路工厂的光刻工艺研发、制造的工程技术人员和国产光刻设备、材料、软件的研发人员阅读。 

本书共21章，其中： 

第1章介绍国际和国内光刻技术发展的历史，包括我国1958年开始的第一次成功尝试和现代发展。

第2章简要介绍光刻工艺的各方面，包括工艺建立方法、光刻设备、光刻胶材料，希望读者对复杂的光刻工艺有全面的了解。

第3章详细论述衍射极限和光学分辨率，以及照明方式和成像原理中的傅里叶变换，希望读者建立光刻工艺极限的明确概念。

第4章详细介绍光刻胶的发展、原理、组分及其合成方法，光刻胶的性能极限，光物质相互作用的辐射化学描述方法，其中对193nm浸没式光刻胶和极紫外光刻胶做了详细的分析和论述。

第5章详细介绍光刻抗反射层的原理、组分和在光刻工艺中的作用，包括含硅的抗反射层和极紫外光刻的底部增感层。

第6章详细介绍光刻机的投影物镜原理和装置、工件台原理和装置、部分相干照明原理和装置、偏振装置、工程材料、重要传感器的原理和功能，以及测控和各种光刻机生产应用的附加功能及其对光刻工艺的作用。 还包括193nm浸没式投影物镜的结构和性能分析，极紫外光刻机的投影物镜和光源介绍，193nm浸没式光刻机使用的浸没头的原理和构造分析，以及光刻机的日常维护和匹配等。 还对照相机镜头和光刻机镜头之间的联系，以及像差表征和消除的理论方法做了详细论述。

第7章详细介绍涂胶显影一体机（轨道机）的结构和功能。尤其是对193nm浸没式光刻机特有的显影方法和光刻工艺的重要耗材，如过滤器的原理和性能要求做了详细介绍。

第8章详细介绍测量设备的原理和使用方法，包括扫描电子显微镜、套刻测量显微镜、光学散射探测的原理和方法。 还对扫描电镜使用的电子成像光学做了特别介绍。

第9章详细介绍光掩模，包括掩模版制作前的版图数据处理，极紫外的反射式光掩模结构，掩模版电子束曝光机的结构和性能等。 其中分析和讨论了先进的可变截面电子束曝光机的原理和构造、多电子束直写电子束曝光机的原理和构造，以及各种对电子束曝光的设备工艺补偿方法。

第10章介绍光刻工艺参数，如曝光能量宽裕度、焦深和掩模版误差因子； 概述了线宽均匀性以及光刻胶形貌的分类和改进。

第11章系统介绍光刻工艺用到的各种仿真方法，包括衬底反射率、对准记号的强度、部分相干照明下的空间像、掩模版三维散射、光源掩模版协同优化、光刻胶曝光显影模型、逆光刻方法等，并深入分析工艺仿真的核心算法。

第12章系统介绍光学邻近效应在光刻工艺上的表象和理论基础以及光学邻近效应模型的核心快速算法，包括传输交叉系数及其本征化或者奇异化的公式推导、矢量的引入、掩模版三维散射的引入等，还举例说明了光学邻近效应的建模、修正和薄弱点的检测。

第13章专门介绍193nm浸没式光刻的设备、材料和工艺方法，还提出了高效的光刻工艺研发流程。

第14章系统介绍光刻工艺缺陷产生的原因，包括涂胶、显影和193nm浸没式光刻工艺特有的缺陷分类，分析这些原因并给出解决方法。

第15章详细介绍光刻线宽均匀性的分类和控制方法，改进图形粗糙度的工艺方法。

第16章详细介绍导致光刻套刻偏差的各种原因和改进方法，深入分析先进的光刻工艺中的间接对准和套刻，提出了适合生产线的对准和套刻测量方案。

第17章详细分析光刻图形边缘粗糙度，介绍历史上为改善图形边缘粗糙度所做出的努力，包括光刻胶的配方调整、光刻工艺的协助和刻蚀工艺的协助等。

第18章详细介绍达到衍射极限后采用多重曝光的图形形成方法，包括在多重曝光情况下对准和套刻的最优方法，以及线宽均匀性的控制方法。

第19章详细介绍下一代光刻技术的历史发展和当前的进展，深入分析和讨论了极紫外光刻技术的发展历程，以及导向自组装、纳米压印和多电子束直写技术。

第20章详细介绍了光刻工艺的工艺窗口标准的发展与未来趋势。

第21章总结了光刻技术的方方面面，并对未来的技术发展提出展望。

文后的专业词汇索引列举了光刻工艺使用的中文专业词汇及其英文翻译。

本书由伍强、胡华勇、何伟明、岳力挽、张强、杨东旭、黄怡和李艳丽编写。其中第4章由胡华勇、杨东旭和伍强编写； 第5章由胡华勇和伍强编写； 第7章由伍强和何伟明编写； 第8章由伍强和黄怡编写； 第13章由岳力挽和伍强编写； 第14章由何伟明和伍强编写； 第17章由张强和伍强编写； 第1～3、6、9～12、15、16、18～21章由伍强编写； 附录A和附录B由岳力挽编写； 思考题参考答案由李艳丽和伍强编写。

在本书的撰写过程中，北京华卓精机科技股份有限公司朱煜教授团队的张鸣老师在光刻机工件台描述上给予了重要帮助，长春国科精密光学有限公司杨怀江教授团队的隋永新等老师在投影物镜及照明系统描述上给予了重要帮助，这些帮助提高了本书的专业水平，在此表示衷心感谢。同时，本书在出版制作过程中获得了清华大学出版社文怡编辑及其团队的大力支持，没有他们的辛勤工作，就不会有本书的圆满出版，在此表示由衷的感谢。在本书的出版过程中还得到了我国集成电路行业中诸多朋友和同志的大力支持，在此也向他们一并致谢。

限于作者的水平，本书定会有不正确和疏漏之处，请各位读者不吝指正。

作者2024年9月