光刻機的工作原理及關鍵技術

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)生性質變化，從而使光罩上得圖形復印到薄片上，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系統(tǒng)，由數(shù)十塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成，其光學零件精度控制在幾個納米以內，目前光刻機鏡頭最強大的是老牌光學儀器公司德國蔡司，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，實際對應的分辨率大約在200nm以上。

隨后，業(yè)界采用了準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準分子激光上遇到了一系列技術障礙以后，ArF加浸入技術(ImmersionTechnology)成為了主流。

所謂浸入技術，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，無法和浸入技術結合。所以，準分子激光光源只發(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)點上就已經采用了。而目前只有荷蘭ASML一家能夠提供可供量產用的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指標之一，決定了光刻機能夠被應用于的工藝節(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系，但兩者并非是完全對應。具體而言二者關系公式是：

公式中R代表分辨率；λ代表光源波長；k1是工藝相關參數(shù)，一般多在0.25到0.4之間；NA(NumericalAperture)被稱作數(shù)值孔徑，是光學鏡頭的一個重要指標，一般光刻機設備都會明確標注該指標的數(shù)值。

所以我們在研究和了解光刻機性能的時候，一定要確認該值。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。

關于這個參數(shù)的具體含義和詳細解釋，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精度(3σ)，如果對準的偏差過大，就會直接影響產品的良率。對于高階的光刻機，一般設備供應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，另一種是兩臺設備（不同設備）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指標，不過有時非專業(yè)人士在研究學習光刻機性能時會容易忽略。我們在后面的各大供應商產品詳細列表里，特意加上了這個指標。

工藝節(jié)點：

工藝節(jié)點(nodes)是反映集成電路技術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)點指標的。

節(jié)點的尺寸數(shù)值基本上和晶體管的長寬成正比關系，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遠落后于節(jié)點數(shù)值變化。更為麻煩的是，不同F(xiàn)oundry的工藝節(jié)點換算方法不一，這便導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相當于三星的14nm和臺積電的16nm工藝了。

上圖為英特爾公布的10nm節(jié)點詳細工藝參數(shù)對比。由圖可以明顯看到，同樣10nm工藝節(jié)點上，英特爾的晶體管密度大約是三星和臺積電的兩倍。

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，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產品數(shù)據(jù)信息，采用浸入技術之后，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)等技術的協(xié)同助力之下，在光刻設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無法進一步提升，所以業(yè)界開始廣泛采用MultiplePatterning的技術來提高圖形密度，也就是利用多次曝光和刻蝕的辦法來產生更致密圖形。

值得特別注意的是，MultiplePatterning技術的引入導致了掩模(Mask)和生產工序的增加，直接導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品才會采用這些高階工藝節(jié)點技術。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，而對成本敏感的產品(比如IOT領域的芯片)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用，其淘汰的時間也會遠遠慢于其它工藝節(jié)點。

　　各個工藝節(jié)點和工藝及光刻機光源類型的關系圖

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的光刻設備。但是對于下一代的工藝，則必須采用EUV光源的設備了。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)點上便已經采用了EUV光刻設備，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參數(shù)

目前光刻設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方向的一個細長空間曝光，硅片和掩模同時沿X方向移動經過曝光區(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，只有部分老式設備依舊是Stepper。上表中如果沒有特別注明，都是屬于Scanner類型。