2. 光刻机与曝光系统：步进式光刻机与扫描式光刻机原理、NA（数值孔径）与分辨率的关系、照明系统与相干性

2.1 步进式光刻机（Stepper）原理

步进式光刻机是早期高精度光刻的主力机型，其核心工作模式为“逐场曝光”。晶圆被固定在工件台上，掩模版上的图形通过投影物镜一次性成像到晶圆上的一个曝光场（Die/Field）。完成一个场后，工件台步进移动到下一个位置，重复曝光。

2.2 扫描式光刻机（Scanner）原理

扫描式光刻机通过掩模版与晶圆同步反向扫描实现曝光。掩模版和晶圆分别安装在独立的扫描台上，以固定的光学倍率（通常为 4×）同步移动。狭缝光阑将曝光区域限制为一条窄带，只有通过狭缝的光线才能成像。

2.3 NA（数值孔径）与分辨率的关系

光刻系统的分辨率由瑞利判据（Rayleigh Criterion）决定，其核心公式为：

R = k₁ × λ / NA

其中：

• R：最小可分辨半节距（Half-Pitch），单位 nm
• k₁：工艺因子（Process Factor），与光刻胶、照明条件、掩模优化相关，理论下限 0.25
• λ：曝光波长，单位 nm（如 193nm ArF、13.5nm EUV）
• NA：数值孔径（Numerical Aperture），无量纲

数值孔径 NA 定义为：

NA = n × sin(θ)

其中 n 为物镜与晶圆之间介质的折射率（空气 n≈1，水 n≈1.44），θ 为物镜收集光线的最大半角。

2.4 照明系统与相干性

照明系统（Illumination System）负责将光源发出的光均匀化、整形后投射到掩模版上。其核心参数包括：

• 部分相干因子 σ (Sigma)： σ = NA_illumination / NA_projection。σ 值决定了照明光束的填充程度，直接影响成像的对比度和分辨率。
• 照明模式：
  • 传统照明（Conventional）： 圆形光瞳，σ 值可调（0.3~0.9）。适用于孤立线条和较大节距。
  • 环形照明（Annular）： 中心遮挡，σ_out / σ_in。增强密集线条的对比度。
  • 偶极/四极照明（Dipole/Quasar）： 特定方向照明，用于优化一维密集图形（如栅格）的成像。

2.5 曝光系统对 CD 控制的影响总结

曝光系统的选择与参数设定直接决定了光刻工艺的 CD 控制能力与工艺窗口大小。以下为关键影响因素的总结：

• 步进 vs 扫描： 扫描机在 CD 均匀性和场拼接精度上优于步进机，但机械复杂度更高。
• NA 选择： 高 NA 提升分辨率但压缩焦深，需结合光刻胶厚度和晶圆平坦度权衡。
• 照明优化： 通过调整 σ 值和照明模式，可以针对特定图形密度最大化工艺窗口。
• 波长演进： 从 365nm → 248nm → 193nm → 13.5nm，每次波长缩短都带来分辨率质的飞跃，但也引入新的挑战（如浸没式液体控制、EUV 反射式光学）。