光刻技术发展

光刻技术发展

光刻机作用

光刻机（英文“Mask Aligner”) ，又名掩模对准曝光机，芯片制造流程中光刻工艺的核心设备。芯片的制造流程极其复杂，可以概括为几大步骤：硅片的制备-->外延工艺-->热氧化-->扩散掺杂-->离子注入-->薄膜制备-->光刻-->刻蚀-->工艺集成等。光刻工艺是制造流程中最关键的一步，光刻确定了芯片的关键尺寸，在整个芯片的制造过程中约占据了整体制造成本的35%。

光刻工艺的作用，将掩膜版（光刻版）上的几何图形转移到晶圆表面的光刻胶上。首先光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶圆表面，再经过分步重复曝光和显影处理之后，在晶圆上形成需要的图形。原理示意图如下：

 

ASML

上世纪60~70年代是早期光刻机发展阶段。

当时美国是走在世界前面的，那时候还没有ASML。

光刻机的原理其实像幻灯机一样简单，就是把光通过带电路图的掩膜（Mask，后来也叫光罩）投影到涂有光敏胶的晶圆上。早期60年代的光刻掩膜版以1：1的尺寸紧贴在晶圆片上，而那时的晶圆也只有1英寸大小。

 

而后来尼康作为九十年代最大的光刻机巨头，衰落充满偶然，始于157nm光源干刻法与193nm光源湿刻法的技术之争。

当时的光刻机的光源波长被卡死在193nm，摆在全产业面前的一道难关。

降低光的波长，从光源出发是根本方法，光由真空入水，因为水的折射率，光的波长会改变——在透镜和硅片之间加一层水，由于水对 193nm 光的折射率高达 1.44，原有的193nm激光经过折射，直接越过了157nm的天堑，降低到134nm。

 

 

 浸没式光刻可缩短等效波长

2002年，台积电前研发副总经理的林本坚拿着这项“沉浸式光刻”方案，跑遍美国、德国、日本等国，游说各家半导体巨头，但都吃了闭门羹。

当时还是小角色的ASML（1984年飞利浦和一家小公司ASM Internationa以50:50组成的合资公司，最初员工只有31人）决定赌一把，相比之前在传统干式微影上的投入，押注浸润式技术更有可能以小博大。于是ASML和林本坚一拍即合，仅用一年多的时间，就在2004年拼全力赶出了第一台样机，并先后夺下IBM和台积电等大客户的订单。

ASML的崛起

1997年，英特尔攒起了一个叫EUV LLC的联盟。联盟中的名字个个如雷贯耳：除了英特尔和牵头的美国能源部以外，还有摩托罗拉、AMD、IBM，以及能源部下属三大国家实验室：劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利实验室。

这些实验室是美国科技发展的幕后英雄，他们之前的研究成果覆盖了物理、化学、制造业、半导体产业的各种前沿方向，有核武器、超级计算机、国家点火装置，甚至还有二十多种新发现的化学元素。

资金到位，技术入场，人才云集，但偏偏联盟中的美国光刻机企业SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落，根本烂泥扶不上墙。于是，英特尔力邀ASML和尼康加入EUV LLC。但问题在于，这两家公司，一个来自日本，一个来自荷兰，都不是本土企业。

当时的美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术，并不太希望外国企业参与其中，更何况是八九十年代在半导体领域压了美国风头的日本。但EUV光刻机又几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。光源功率要求极高，透镜和反射镜系统也极致精密，还需要真空环境，其配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也不高。别说日本与荷兰，就算是美国，想要一己之力自主突破这项技术，可以说是比登天还难，毕竟美国已经登月了。

最后，ASML同意在美国建立一所工厂和一个研发中心，以此满足所有美国本土的产能需求。另外，还保证55%的零部件均从美国供应商处采购，并接受定期审查。这也是为什么美国能禁止荷兰的光刻机出口中国。

错失EUV的尼康，还未完全失去机会，一蹶不振的，是盟友的离开。当时的英特尔为了防止核心设备供应商一家独大，制作22nm的芯片还是一直采购ASML和尼康两家的光刻机。但“备胎终究是备胎”，一转身，英特尔就为了延续摩尔定律的节奏，巨资入股ASML，顺带将EUV技术托付。

另一边，相比一步步集成了全球制造业精华的ASML，早年间就习惯单打独斗的尼康在遭遇美国封锁后，更是一步步落后，先进设备技术跟不上且不提，就连落后设备的制造效率也迟迟提不上来。而佳能在光刻机领域一直没有争过老大，当年数码相机称霸世界，利润很高，但是对一年销量只有上百台的光刻机根本没有给予重视。2012年，英特尔连同三星和台积电，三家企业共计投资52.29亿欧元，先后入股ASML，以此获得优先供货权，结成紧密的利益共同体。在2015年，第一台可量产的EUV样机正式发布，意味着在7nm以下的先进工艺节点，ASML再无对手！

光学修正技术能够提高光刻机对硅膜片的成像质量，提高芯片的性能和良品率，一定程度上可以降低芯片制程难度。由于光学修正技术应用于光刻机设备当中，而且能够提高硅膜片的成像质量。光学修正技术可以提高光刻机水准，加速实现芯片自主化生产的脚步。

光学邻近效应是一门技术，归属于计算机光刻工艺。

 

 

  光刻工艺是芯片制造的关键流程之一。其工作原理是利用光刻机光源的曝光、显影技术，在光刻胶胶层上印刻“设计图”，为硅晶圆步入刻蚀环节做好准备。常说的光刻机制程，便是光刻工艺，只不过归属于化学制品这个范畴。

光刻工艺分为两种；采用化学制品，诸如光刻胶等化学原料，对硅基晶圆上的光刻胶图像进行光化学反应的化学过程。采用计算机模拟，从理论上探索、提高光刻分辨率与光刻工艺的新途径，为光刻制程提供工艺参数指导的计算机光刻。

利用不同的成像异常检测模板，能够大幅节省分析故障时所耗费的时间。

同时双采样率像素化掩模能够根据异常区域，自适应产生虚拟边，通过修正策略和修正约束，实现高效的局部修正和全局轮廓保真度控制。在此基础上兼顾成像计算效率和掩模修正分辨率。

快速光学邻近效应修正技术，实现28纳米以下制程技术节点、集成电路制造的关键计算光刻技术之一。计算光刻技术是在摩尔定律规定下，推动芯片制程向前发展的核心动力。如果没有计算光刻技术作为指导，即便光刻机设备再先进，芯片制程的水准也难以提升。

前面提到，快速光学邻近效应修正技术可以提高光刻机的成像质量，一定程度上降低对光刻机曝光技术的要求。上海微电子的28纳米光刻机已经投产，也实现了28纳米芯片的完全自主化生产。

 

 

 芯片刻蚀，有中微公司的3纳米刻蚀机。原料方面，有8英寸、12英寸晶圆减薄机和南大光电的ArF、KrF光刻胶。结合哈工大、清华团队研制的EUV曝光系统与长春光机所、上海光机所步入研究的13.5纳米光源、光学镜头项目、加上北京华卓精科的双工件台。完全具备自主生产14纳米及14纳米以下芯片的能力。

另外，“基于虚拟边与双采样率像素化掩模图形”的快速光学邻近效应修正技术，配合上海微电子推出的28纳米制程光刻机，有望将芯片制程提升到22纳米、16纳米、14纳米。但并不代表可以大规模量产，毕竟设备才是硬伤。

14纳米甚至7纳米芯片生产的说法是不成立的。拿DUV光刻机举例，在通过水的多次折射曝光后，DUV光刻机的确可以达到生产7纳米芯片的标准。但这样做，所付出的时间和成本是巨大的。要生产出7纳米制程芯片，EUV光刻机是不可缺少的。这一点中芯国际也提到过。