光刻工藝中g線、i線、DUV、EUV是什么意思？

老虎說芯|Tiger Chip|

2025-04-02 21:59:08 695

不同波長的光源各自對應不同的技術節點和制造需求。從早期的 g線、i線到目前主流的 KrF、ArF 再到最*的 EUV，每一次升級都展現了更高分辨率和更先進的工藝水平。隨著對器件尺寸不斷逼近物理極限，EUV及其后續升級版本將持續發展。

但需注意，EUV設備昂貴、維護復雜，加之掩模技術、襯底材料以及光刻膠等配套環節都需要同步提升。因此，產業界對多重曝光、混合工藝（ArF與EUV 結合）等靈活的過渡方案也有廣泛需求。未來，或許還有其他更短波長甚至基于電子束等新技術的突破，但要實現大規模量產，仍有很多工程與成本難題需要逐步攻克。

一、背景與重要性

在芯片制造過程中，光刻被認為是決定集成電路集成度的核心工序，其核心目標是將設計好的微納級電路圖形“轉印”到襯底（通常是硅片）上。隨著對芯片小型化與性能提升的追求愈發迫切，光刻分辨率也不斷演進。而分辨率能否進一步提升，很大程度上取決于所采用的光源波長——波長越短，潛在的分辨率越高，因此也能滿足更先進、更精細的技術節點需求。

二、光源波長與技術節點的對應關系

1. 紫外光（汞燈）

g線（436 nm）

對應技術節點：≥0.5 μm
適用場景：早期集成電路制造或對線寬要求不高的器件。
特點：工藝穩定成熟，設備成本相對較低，但無法滿足深亞微米級別的線寬需求。

i線（365 nm）

對應技術節點：0.35～0.25 μm
適用場景：比 g 線更先進一代的紫外光刻技術，廣泛用于 0.35 μm 及 0.25 μm 等時代節點。
特點：曾是大規模生產的主流方案，但目前在更高端領域已基本被深紫外工藝取代。

2. 深紫外線（DUV）

KrF（248 nm）

對應技術節點：0.25～0.13 μm
適用場景：深入亞微米領域的主流光刻技術，推動集成電路制程進入 0.13 μm 門檻。
特點：相比 i 線進一步縮短的波長提高了光刻分辨率，實現了單層、多層掩模曝光等工藝。

ArF（193 nm / 浸沒式 193 nm）

對應技術節點：0.13 μm～7 nm
適用場景：從 0.13 μm 一路延伸到更小的幾十納米乃至數納米級別，業內大量高端制程都依賴 ArF 結合浸沒式曝光及多重曝光工藝。
特點：193 nm 光源結合浸沒式技術可“變相”增加曝光系統數值孔徑（NA），再疊加雙重/多重曝光等方法，使其覆蓋極為寬泛的節點范圍。當前不少先進工廠在 7 nm 或 10 nm 制程中仍在使用 ArF 浸沒式光刻與多重曝光的組合。

F?（157 nm）

對應技術節點：尚未產業化應用
適用場景：理論上可實現高分辨率，但在材料、光學系統、成本等層面遇到瓶頸，未能大規模投入生產。
特點：曾被視為下一代深紫外光刻的潛力方案，但由于面臨諸多技術挑戰，被 EUV 技術在一定程度上替代。

3. 等離子體極紫外線（EUV）

EUV（13.5 nm）

對應技術節點：7 nm/5 nm 及以下
適用場景：用于最前沿的先進制程節點（7 nm、5 nm 乃至 3 nm、2 nm），是高性能處理器與先進存儲芯片的關鍵工藝之一。
特點：波長遠短于 DUV，但對光學系統、真空環境、掩模以及光源生成方式的要求極高，設備及運營成本昂貴。EUV 光源的引入極大減少了多重曝光需求，有利于簡化工藝流程并提高整體良率。

三、光源波長與分辨率的基本原理

光刻分辨率通常可用類似瑞利準則（Rayleigh Equation）來進行量化，簡化后的表達式為：

其中， λ lambda 為光源波長，NA（數值孔徑）為光學系統性能的表征。波長越短，能夠成像的最小線寬就越小；同時，如果通過浸沒式光刻工藝增大 NA，也可以進一步降低分辨極限。
基于這一原理，產業界為了實現更細微的線寬，不斷朝更短波長發展：從傳統的 g線、i線過渡到 KrF、ArF，再到 EUV。這也就是光源種類與技術節點之間呈明顯“匹配”或“對應”關系的根本原因。

四、影響光源選擇的其他因素

光刻機系統復雜度
：波長越短，往往需要更高質量的光學元件和更加復雜的曝光系統；對于 EUV 而言，更是要求在真空環境下工作，整體光源功率、耐用度等都是挑戰。
材料與光刻膠
：不同波長下，光刻膠需要滿足特定的吸收/透過特性，工藝窗口差異顯著。
工藝成本
：更先進的光刻機價格和維護成本都會顯著提升，需要評估量產規模和芯片利潤空間。
多重曝光與工藝迭代
：對于同一種光源，通過多次曝光（雙重、三重等），可以在一定程度上突破單次曝光的物理極限。例如 ArF 浸沒式光刻在多次曝光的輔助下也可支撐到 7 nm，甚至部分 5 nm。

五、簡要類比：燈光與聚焦

可以將光刻理解為“用燈光在膠片上印出極細的圖案”——如果“燈”發出的光束很“粗”（波長長），那能印出清晰小圖案的能力就有限；如果使用一種“更精細”的光（波長短），在相同的“鏡頭”協助下，就能拍到更加細膩的“照片”。在半導體工藝中，燈光、相機鏡頭和膠片分別對應光源、光學成像系統和光刻膠/硅片表面。

六、總結與展望

總的來說，光源波長是決定半導體光刻分辨能力與技術節點能否順利推進的關鍵因素。隨著波長不斷縮短與對應光學技術的革新，芯片線寬得以持續縮減，推動半導體行業向更高性能、更低功耗和更高密度的方向演進。

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