收藏|深入浅出分析光刻机

光刻技术是指在光照作用下，借助光致抗蚀剂（又名光刻胶）将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。

光刻机是半导体生产制造的主要生产设备之一，也是决定整个半导体生产工艺水平高低的核心技术机台。半导体技术发展都是以光刻机的光刻线宽为代表。+一台光刻机包含了光学系统、微电子系统、计算机系统、精密机械系统和控制系统等构件，这些构件都使用了当今科技发展的尖端技术。光刻机通常采用步进式(Stepper)或扫描式(Scanner)等，通过近紫外光(Near+Ultra-Vi—olet，NUV)、中紫外光(Mid+UV，MUV)、深紫外光(DeepUV，DUV)、真空紫外光(Vacuum+UV，VUV)、极短紫外光(Extreme+UV，EUV)、X-光(X-Ray)等光源对光刻胶进行曝光，使得晶圆内产生电路图案。    

在晶圆微影制程技术中，会将涂好光阻的晶圆借由机械手臂发送到光刻机中先进行对准而后曝光。随着科技的进步，早期接触式和接近式的对准机以1:1的方式将电路图案曝光在晶圆上，但这种作法导致晶圆每次能曝光的图案有限，2000年以后出现了能将电路图案以4:1缩小投影在晶圆上的扫描式对准机，于是晶圆的产能得到4倍以上的生产速度

   

光刻机是一种关键的工具，用于制造微电子芯片和集成电路。它是将纳米级图案转移到硅片表面的关键设备。下面是对光刻机工作原理的简要说明：

法国研究所暗室中的小型光刻机 左:EVG-620 右:MA-150

发展：1960年代的接触式光刻机、接近式光刻机；1970年代的投影式光刻机；1980年代的步进式光刻机；再到步进式扫描光刻机，浸入式光刻机和现在的EUV光刻机，设备性能不断提高，推动集成电路按照摩尔定律往前发展。

目标：光刻机的目标是将光通过掩模上的微小结构投射到硅片表面，并形成精细的图案。这些图案是芯片上电路的基础。    

价格：光刻机是生产大规模集成电路的核心设备，因此光刻机价格昂贵，除了机型外价格还取决于适用的曝光光源波段，DUV制程光刻机大概价格在5千万至1亿美元之间，而近几年异军突起成为主流的ASML EUV Twinscan光刻机造价大概在3亿美元以上。

EUV光刻机有三大核心，分别为物镜系统、激光系统和工作台！

EUV光刻机的物镜系统，采用的是德国卡尔蔡司的光学镜头（集成了多种反光镜和光学部件）；拥有170多年历史的德国蔡司公司，每年好像只能造出几十套顶尖的光刻机镜头！    

EUV光刻机采用的是波长为13.5nm的紫外线作为光源，可以用于7nm光刻工艺需求，甚至是更先进的光刻工艺需求！极紫外线是指通过通电激发紫外线管的K极，然后放射出紫外线。

光源：光刻机使用强度非常高的紫外线光源，通常是激光或者放电灯。这些光源会发出紫外线光，并通过光学系统引导光线到下一步。

掩模：掩模是一种透明的平板，上面有所需的微小结构图案。掩模制作时，通过先进的工艺技术在其表面上形成图案。它充当了光刻机中的模板。

投影光学系统：光学系统会放大掩模上的微小结构图案，并将其投射到硅片上。它包含了一系列镜头和透镜，用于聚焦和放大图案。

硅片涂覆：在开始投影之前，硅片表面会先涂覆一层光敏物质，称为光刻胶。这层胶会在接收到紫外光后发生化学变化。

曝光：光通过投影光学系统聚焦到光刻胶上，形成映像掩模结构的影像。紫外光使得光刻胶发生化学反应，使得曝光区域的性质发生变化，而非曝光区域保持不变。    

映射到硅片：曝光之后，硅片被处理，通常是通过化学反应或物理去除非曝光区域的光刻胶。剩下的光刻胶会保护着曝光区域的表面。

图案转移：最后，光刻胶的存在使硅片在下一步的工艺中受到保护，例如蚀刻或沉积。通过这些工艺，硅片上的图案可以转移到不同的材料层并形成电路。   

光刻机发展时间轴

在1960年代,半导体芯片制造商主要使用可见光作为光源。

到了1980年代,光刻主要应用高压放电汞灯产生的436纳米(G线)和365纳米(I线)作为光源。汞灯普遍应用于步进曝光机,从而实现0.35微米的特征尺寸。

1982年，IBM的Kanti Jain开创性的提出了“excimer laser lithography（准分子激光光刻）”，现在准分子激光光刻机器（步进和扫描仪）在全球集成电路生产中得到广泛使用。应用的主要光源从KrF准分子激光器248纳米激光，ArF准分子激光器193纳米激光到F2准分子激光器157纳米激光。但当光源波长发展到157纳米,由于光刻胶和掩膜材料的局限,图形对比度低等因素,使得157纳米光刻技术的发展受到很大限制。

2002年，台积电林本坚研究出以水作为介质的193纳米浸润式光刻技术，使工艺节点达到28nm。

而要进到更高端制程时，就必须采用辅助的多重曝光，使用浸液式光刻+多重图形曝光的193nm ArF光刻机将工艺缩小到10nm。通常可以做45nm到7nm的芯片了，顶尖高端的能做到5nm。

之后就是EUV了，EUV不需要多重曝光，一次就能曝出想要的精细图形，没有超纯水和晶圆接触，在产品生产周期、OPC的复杂程度、工艺控制、良率等方面的优势明显，让7nm、5nm成为成为现实，剑指2nm。    

总结来说，光刻机的工作原理涉及使用光源、掩模、投影光学系统和光刻胶等关键组件，将微小结构图案投影到硅片表面，从而制造微电子芯片和集成电路。这是一个精密而复杂的过程，为现代科技世界提供了高度集成的半导体器件。