光刻機的工作原理以及關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)讀：光刻是集成電路最重要的加工工藝，他的作用，如同金工車間中車床的作用。光刻是制造芯片的最關(guān)鍵技術(shù)，在整個芯片制造工藝中，幾乎每個工藝的實施，都離不開光刻的技術(shù)。

光刻機的工作原理：

利用光刻機發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用，類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

簡單點來說，光刻機就是放大的單反，光刻機就是將光罩上的設(shè)計好集成電路圖形通過光線的曝光印到光感材料上，形成圖形。

鏡頭：

鏡頭是光刻機最核心的部分，采用的不是一般的鏡頭，可以達到高 2 米直徑 1 米，甚至更大。光刻機的整個曝光光學(xué)系統(tǒng)，由數(shù)十塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成，其光學(xué)零件精度控制在幾個納米以內(nèi)，目前光刻機鏡頭最強大的是老牌光學(xué)儀器公司德國蔡司，ASML 用的就是他家的鏡頭。

光源：

光源是光刻機核心之一，光刻機的工藝能力首先取決于其光源的波長。下表是各類光刻機光源的具體參數(shù)：

最早光刻機的光源是采用汞燈產(chǎn)生的紫外光源(UV:UltravioletLight)，從 g-line 一直發(fā)展到 i-line，波長縮小到 365nm，實際對應(yīng)的分辨率大約在 200nm 以上。

隨后，業(yè)界采用了準(zhǔn)分子激光的深紫外光源(DUV:DeepUltravioletLight)。將波長進一步縮小到 ArF 的 193nm。不過原本接下來打算采用的 157nm 的 F2 準(zhǔn)分子激光上遇到了一系列技術(shù)障礙以后，ArF 加浸入技術(shù)(ImmersionTechnology)成為了主流。

所謂浸入技術(shù)，就是讓鏡頭和硅片之間的空間浸泡于液體之中。由于液體的折射率大于 1，使得激光的實際波長會大幅度縮小。目前主流采用的純凈水的折射率為 1.44，所以 ArF 加浸入技術(shù)實際等效的波長為 193nm/1.44=134nm。從而實現(xiàn)更高的分辨率。F2 準(zhǔn)分子激光之所以沒有得以發(fā)展的一個重大原因是，157nm 波長的光線不能穿透純凈水，無法和浸入技術(shù)結(jié)合。所以，準(zhǔn)分子激光光源只發(fā)展到了 ArF。

這之后，業(yè)界開始采用極紫外光源(EUV:ExtremeUltravioletLight)來進一步提供更短波長的光源。目前主要采用的辦法是將準(zhǔn)分子激光照射在錫等靶材上，激發(fā)出 13.5nm 的光子，作為光刻機光源。目前，各大 Foundry 廠在 7nm 以下的最高端工藝上都會采用 EUV 光刻機，其中三星在 7nm 節(jié)點上就已經(jīng)采用了。而目前只有荷蘭 ASML 一家能夠提供可供量產(chǎn)用的 EUV 光刻機。

分辨率：

光刻機的分辨率(Resolution)表示光刻機能清晰投影最小圖像的能力，是光刻機最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，決定了光刻機能夠被應(yīng)用于的工藝節(jié)點水平。但必須注意的是，雖然分辨率和光源波長有著密切關(guān)系，但兩者并非是完全對應(yīng)。

所以我們在研究和了解光刻機性能的時候，一定要確認(rèn)該值。在光源波長不變的情況下，NA 的大小直接決定和光刻機的實際分辨率，也等于決定了光刻機能夠達到的最高的工藝節(jié)點。

關(guān)于這個參數(shù)的具體含義和詳細(xì)解釋，有興趣的朋友可以參考維基百科。

套刻精度：

套刻精度(OverlayAccuracy)的基本含義時指前后兩道光刻工序之間彼此圖形的對準(zhǔn)精度(3σ)，如果對準(zhǔn)的偏差過大，就會直接影響產(chǎn)品的良率。對于高階的光刻機，一般設(shè)備供應(yīng)商就套刻精度會提供兩個數(shù)值，一種是單機自身的兩次套刻誤差，另一種是兩臺設(shè)備（不同設(shè)備）間的套刻誤差。

套刻精度其實是光刻機的另一個非常重要的技術(shù)指標(biāo)，不過有時非專業(yè)人士在研究學(xué)習(xí)光刻機性能時會容易忽略。我們在后面的各大供應(yīng)商產(chǎn)品詳細(xì)列表里，特意加上了這個指標(biāo)。

工藝節(jié)點：

工藝節(jié)點(nodes)是反映集成電路技術(shù)工藝水平最直接的參數(shù)。目前主流的節(jié)點為 0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm 等。傳統(tǒng)上(在 28nm 節(jié)點以前)，節(jié)點的數(shù)值一般指 MOS 管柵極的最小長度(gatelength)，也有用第二層金屬層(M2)走線的最小間距(pitch)作為節(jié)點指標(biāo)的。

節(jié)點的尺寸數(shù)值基本上和晶體管的長寬成正比關(guān)系，每一個節(jié)點基本上是前一個節(jié)點的 0.7 倍。這樣以來，由于 0.7X0.7=0.49，所以每一代工藝節(jié)點上晶體管的面積都比上一代小大約一半，也就是說單位面積上的晶體管數(shù)量翻了一番。這也是著名的摩爾定律(Moore'sLaw)的基礎(chǔ)所在。一般而言，大約 18~24 個月，工藝節(jié)點就會發(fā)展一代。

但是到了 28nm 之后的工藝，節(jié)點的數(shù)值變得有些混亂。一些 Foundry 廠可能是出于商業(yè)宣傳的考量，故意用一些圖形的特征尺寸(FeatureSize)來表示工藝節(jié)點，他們往往用最致密周期圖形的半間距長度來作為工藝節(jié)點的數(shù)值。這樣一來，雖然工藝節(jié)點的發(fā)展依然是按照 0.7 倍的規(guī)律前進，但實際上晶體管的面積以及電性能的提升則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于節(jié)點數(shù)值變化。更為麻煩的是，不同 Foundry 的工藝節(jié)點換算方法不一，這便導(dǎo)致了很多理解上的混亂。根據(jù)英特爾的數(shù)據(jù)，他們 20nm 工藝的實際性能就已經(jīng)相當(dāng)于三星的 14nm 和臺積電的 16nm 工藝了。

在 65nm 工藝及以前，工藝節(jié)點的數(shù)值幾乎和光刻機的最高分辨率是一致的。由于鏡頭 NA 的指標(biāo)沒有太大的變化，所以工藝節(jié)點的水平主要由光源的波長所決定。ArF193nm 的波長可以實現(xiàn)的最高工藝節(jié)點就是 65nm。

而到了 65nm 以后，由于光源波長難于進一步突破，業(yè)界采用了浸入式技術(shù)，將等效的光源波長縮小到了 134nm。不僅如此，在液體中鏡頭的 NA 參數(shù)也有了較大的突破。根據(jù) ASML 產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，采用浸入技術(shù)之后，NA 值由 0.50–0.93 發(fā)展到了 0.85–1.35，從而進一步提高了分辨率。同時，在相移掩模(Phase-ShiftMask)和 OPC(OpticalProximityCorrection)等技術(shù)的協(xié)同助力之下，在光刻設(shè)備的光源不變的條件下，業(yè)界將工藝節(jié)點一直推進到了 28nm。

而到了 28nm 以后，由于單次曝光的圖形間距已經(jīng)無法進一步提升，所以業(yè)界開始廣泛采用 MultiplePatterning 的技術(shù)來提高圖形密度，也就是利用多次曝光和刻蝕的辦法來產(chǎn)生更致密圖形。

值得特別注意的是，MultiplePatterning 技術(shù)的引入導(dǎo)致了掩模(Mask)和生產(chǎn)工序的增加，直接導(dǎo)致了成本的劇烈上升，同時給良率管理也帶來一定的麻煩。同時由于前述的原因，節(jié)點的提升并沒有帶來芯片性能成比例的增加，所以目前只有那些對芯片性能和功耗有著極端要求的產(chǎn)品才會采用這些高階工藝節(jié)點技術(shù)。于是，28nm 便成為了工藝節(jié)點的一個重要的分水嶺，它和下一代工藝之間在性價比上有著巨大的差別。大量不需要特別高性能，而對成本敏感的產(chǎn)品(比如 IOT 領(lǐng)域的芯片)會長期對 28nm 工藝有著需求。所以 28nm 節(jié)點會成為一個所謂的長節(jié)點，在未來比較長的一段時間里都會被廣泛應(yīng)用，其淘汰的時間也會遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于其它工藝節(jié)點。

根據(jù)業(yè)界的實際情況，英特爾和臺積電一直到 7nm 工藝節(jié)點都依然使用浸入式 ArF 的光刻設(shè)備。但是對于下一代的工藝，則必須采用 EUV 光源的設(shè)備了。目前全球只有 ASML 一家能夠提供波長為 13.5nm 的 EUV 光刻設(shè)備。毫無疑問，未來 5nm 和 3nm 的工藝，必然是 EUV 一家的天下。事實上，三星在 7nm 節(jié)點上便已經(jīng)采用了 EUV 光刻設(shè)備，而中芯國際最近也訂購了一臺 EUV 用于 7nm 工藝的研發(fā)。

在售的部分光刻機的列表及相關(guān)參數(shù)

目前光刻設(shè)備按照曝光方式分為 Stepper 和 Scanner 兩種。Stepper 是傳統(tǒng)地一次性將整個區(qū)域進行曝光；而 Scanner 是鏡頭沿 Y 方向的一個細(xì)長空間曝光，硅片和掩模同時沿 X 方向移動經(jīng)過曝光區(qū)動態(tài)完成整個區(qū)域的曝光。和 Stepper 相比，Scanner 不僅圖像畸變小、一致性高，而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻機都是 Scanner，只有部分老式設(shè)備依舊是 Stepper。上表中如果沒有特別注明，都是屬于 Scanner 類型。

審核編輯 黃昊宇