先进封装关键技术系列之光刻工艺

光刻工艺：硅片上“雕刻”电路的精密魔法

想象一下，要在比头发丝还细千百倍的地方，精准“画”出复杂的电路图案。这就是半导体制造中的核心技术——光刻工艺。它本质上是一种极其精密的“光学印刷术”，负责把设计好的电路图案从“模板”（光罩）转移到硅片或其他基底材料上。

为何光刻如此关键？

这项工艺之所以成为现代集成电路制造的基石，关键在于它能实现微米甚至纳米级别的超精细图案转移。芯片性能的不断提升、尺寸的持续缩小（即“摩尔定律”），很大程度上就依赖于光刻工艺的突破。更精细的光刻，意味着芯片上能集成更多晶体管，带来更强性能和更低成本。如今，随着芯片发展进入“后摩尔时代”，2.5D封装、3D封装、系统级封装（SiP）等先进封装技术兴起，光刻的作用更延伸到了封装领域。为了在封装中实现更微小的结构和更精确的定位（比如连接不同的小芯粒Chiplet），更为先进的光刻工艺在封装阶段也开始扮演核心角色。

图1光刻工艺流程示意图

光刻是如何“雕刻”电路的？

光刻工艺的核心原理是利用光与光敏材料（光刻胶）的化学反应来“复制”图案，整个过程精密而连贯。让我们以华天科技先进封装产线某黄光车间的工艺为例：首先，在洁净的硅片表面均匀涂上一层薄薄的光刻胶，这种材料对光非常敏感；随后短暂加热（前烘）以增强附着力。紧接着是最核心的曝光步骤：光刻机发出特定波长的光（如紫外光），光线穿过刻有电路图案的光罩（掩模版），透光部分的光线照射到下方光刻胶上，引发其化学反应（正胶会变得易溶，负胶会变得难溶），相当于把光罩图案“投影”到光刻胶上。之后进入显影工序，硅片浸入特定化学溶剂（显影液）中，正胶的曝光区域或负胶的未曝光区域会被溶解掉，显露出底层的硅片，从而将光罩上的电路图案清晰地“复制”在光刻胶层上，形成后续工艺的“精密模板”或“化学蓝图”。显影后通常还会进行高温后烘（硬烤），以硬化残留光刻胶，增强其抵抗后续蚀刻等工艺的能力。同时，整个过程中，尤其是关键步骤后，都需要通过自动光学检测（AOI）等精密手段严格检查图案质量，确保线条宽度和位置误差控制在纳米级别。

图2 光刻胶硬烤后形貌及参数图

光刻机：芯片舞台上的“导演”

在整个光刻流程中，光刻机是绝对的核心设备，也是半导体领域最著名的“卡脖子”技术。它的工作原理堪称精密光学的杰作：强大的光源发出光束，穿过蚀刻有电路图案的光罩（透光部分对应电路轮廓）；硅片被精确放置在载物台上，光刻机驱动掩膜台（承载光罩）和晶圆载台（承载硅片）进行极其精密的移动和对准，确保图案投影位置分毫不差；光线再通过精密的投影透镜系统，将光罩图案按比例缩小并精确聚焦到硅片表面的光刻胶上。由于一次曝光只能覆盖硅片的一小块区域，光刻机必须通过高精度电机驱动晶圆载台，配合掩膜台移动，像扫描一样让硅片的不同区域逐次接受曝光，最终完成整片硅片的图案转移，这对机械精度和位置控制的要求达到了极致。

图3光刻简易原理图

光刻：华天先进封装的神兵利器

光刻不仅是芯片前道制造（晶圆加工）的核心工艺，随着先进封装的发展，它在后道封装工艺中的重要性也日益凸显。例如，在华天科技的eSinC等2.5D封装技术中，需要在硅中介层上制作极其精密的微凸块和再布线层（RDL）来高密度互连多个芯片（如GPU和HBM内存）。更高精度的光刻工艺被引入封装流程，用于制造这些微小的互连结构，从而成功帮助客户打造出性能更强的芯片产品，也奠定了台积电在先进封装领域的领导地位。可以说，正是光刻工艺的持续精进，支撑了以eSinC为代表的先进封装技术在“后摩尔时代”继续突破芯片的性能和成本极限。

在未来，不断提升的光刻工艺精密度和效率，直接决定了半导体技术的天花板。随着全球半导体产业链的调整和中国在该领域的持续投入，研发更高性能、更低成本的国产高端光刻机，已成为关键突破口。我们有理由相信，作为破局利器的光刻技术，必将为华天科技乃至全球的先进封装产业，开辟出更加广阔的发展道路，照亮芯片产业的未来。