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半导体 | 光刻机的发展

发布：北京爱蛙科技有限公司

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光刻机是芯片制造中最复杂、最昂贵的设备。芯片制造可以包括多个工艺，如初步氧化、涂光刻胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入。这个过程需要用到的设备种类繁多，包括氧化炉、涂胶显影机、光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀机、离子注入机、抛光设备、清洗设备和检测设备等。在整个半导体芯片制造过程中，光刻是最复杂工艺，光刻工艺的费用约占芯片制造成本的1/3左右，耗费时间占比约为40-50%，光刻工艺所需的光刻机是最贵的半导体设备。

光刻机可分为前道光刻机和后道光刻机。光刻机既可以用在前道工艺，也可以用在后道工艺，前道光刻机用于芯片的制造，曝光工艺极其复杂，后道光刻机主要用于封装测试，实现高性能的先进封装，技术难度相对较小。

从接触式到EUV， ASML成为绝对龙头

1961年, 第一台接触式光刻机由美国GCA推出，历经60年的发展，ASML后来者居上，成为当前光刻机行业的绝对龙头。

光刻机问世：1955年，贝尔实验室开始采用光刻技术， 1961年，GCA公司制造出第一台接触式光刻机。

步进式光刻机推出：1978年，步进式光刻机推出，1984年尼康和GCA各占30%份额，同年ASML成立。

浸没式光刻机推出：2000年，ASML推出双工件台光刻机，2003年ASML推出浸没式光刻机，至此ASML一举超越其他厂商，后来者居上。

EUV光刻机推出：2013年，ASML推出第一台EUV量产产品，进一步加强行业垄断地位。

光刻技术：从接触式到接近式

▍接触式光刻技术良率低、成本高：接触式光刻技术出现于20世纪60年代，是小规模集成电路时期最主要的光刻技术。接触式光刻技术中掩膜版与晶圆表面的光刻胶直接接触，一次曝光整个衬底，掩膜版图形与晶圆图形的尺寸关系是1:1 ，分辨率可达亚微米级。

系统中的对准部分是用一个晶圆尺寸大小的掩模版放置在一个真空晶圆载片盘上。晶圆被放到在载片盘上后,通过一个分立视场物体显微镜仔细观看。显微镜可以让操作员同时看到掩模版和晶圆的各个边。通过手动控制，可以左、右移动或转动载片盘(x,y,z方向运动)，直到晶圆和掩模版上的图形对准。当掩模版与晶圆准确对准后，活塞推动晶圆载片盘使品圆和掩模版接触。接下来，由反射和透镜系统得到的平行紫外线穿过掩模版照在光刻胶上。

接触式光刻机(a)对准阶段:(b)接触阶段

接触式光刻机用于分立器件产品、小规模(SSI)和中规模( MSI)集成电路,以及大约在5 μm或更大的特征图形尺寸。它还可用于平板显示，红外传感器，器件封装和多芯片封装(MCM)。如果光刻胶选择适当，工艺调整良好,接触式光刻机可加工出亚微米图形。它被其他系统所取代，更大程度是由于掩模版与晶圆的接触带来的良品率损失。接触会损坏较软的光刻胶层或掩模版，或二者皆是。黏在掩膜半透明部分上的尘埃在曝光过程中会挡住光。外延层尖峰在双极晶圆上会使掩模版退化。掩模版的损伤十分普遍，每曝光15~25次，它们就会被移开、丢弃或清洁。掩模版和品圆之间的尘埃会在接近该尘埃的区域产生分辨率问题。更大直径晶圆的对准引出了光均匀性问题，会造成图形尺寸的变异以及对准问题。

特点：接触式可以减小光的衍射效应，但在接触过程中晶圆与掩膜版之间的摩擦容易形成划痕，产生颗粒沾污，降低了晶圆良率及掩膜版的使用寿命，需要经常更换掩膜版，故接近式光刻技术得以引入。

▍接近式光刻技术分辨率有限：接近式光刻技术广泛应用于20世纪70年代，接近式光刻技术中的掩膜版与晶圆表明光刻胶并未直接接触，留有被氮气填充的间隙。接近式光刻机是接触式光刻机的自然演变。该系统本质上是一个接触式光刻机，只是带有使晶圆近距离接触或软接触掩模版的机械装置。有时接近式光刻机也称为软接触机器( soft-contact machine)。

接近式光刻机的性能表现是分辨率与缺陷密度的折中。当晶圆与掩模版软接触时，总会有一些光发散，这样会使光刻胶上的图形模糊。而另一方面，软接触可以使由掩模版和光刻胶的损伤所导致的缺陷数量大大减少。但即使缺陷密度得以改善，接近式光刻机在超大规模集成电路( VLSI)的光刻掩膜工艺中也少有用武之地。

特点：最小分辨尺寸与间隙成正比，间隙越小，分辨率越高。缺点是掩膜版和晶圆之间的间距会导致光产生衍射效应，因此接近式光刻机的空间分辨率极限约为2μm。随着特征尺寸缩小，出现了投影光刻技术。

光刻技术：从接近式到投影式

▍投影光刻技术有效提高分辨率：接触式光刻机的末期持续了几年时间，在此期间探索和开发一种替代品的工作也在进行之中。探索工作的中心思想是将掩模版上的图形投影到晶圆表面上，很像是幻灯片(掩模版)被投影到屏幕(晶圆)上。然而，看似简单，在技术上却要有一个极佳的光学系统才能准确地将掩模版上的尺寸在光刻胶上曝光。这个问题随着PerkinElmer的扫描投影光刻机引入而得以解决。PerkinElmer使用扫描技术，避免了全局掩膜投影曝光产生的问题。它采用了一个带有狭缝的反射镜系统，狭缝挡住了部分来自光源的光。这个系统有一个新的参数需要控制:扫描速度(scan speed)。由于掩模版上的图形尺寸与在晶圆表面想要得到的图形尺寸相同，因此这种光刻机称为1:1光刻机。

投影光刻技术，基于远场傅里叶光学成像原理，在掩膜版和光刻胶之间采用了具有缩小倍率的投影成像物镜，有效提高了分辨率。早期掩膜版与衬底图形尺寸比为1:1，随着集成电路尺寸的不断缩小，出现了缩小倍率的步进重复光刻技术。

▍步进重复光刻主要应用于0.25μm以上工艺：虽然扫描投影光刻机是在生产工作中超越接触式光刻机的一个重大飞跃，但它们仍有一些局限性，比如说与全局掩膜、图形失真，以及掩模版上的尘埃和玻璃损坏造成的缺陷相关的对准和套准问题。光刻时掩膜版固定不动，晶圆步进运动，完成全部曝光工作。目前步进重复光刻主要应用于0.25μ m以上工艺及先进封装领域。

(a)扫描 (b)1:1分步/重复 (c)缩小分步/重复

由于每次曝光区域变小，以及对尘埃敏感性的减小，分辨率得以提高。有些步进式光刻机是1:1型的,就是掩模版上的图形尺寸与品圆上需要的图形尺寸相同。其他的则采用为最终尺寸5~10倍的掩模版，它们被称为缩小步进光刻机(reduction stepper)。制造加大尺寸的放大掩模版更加容易，而且尘埃和玻璃的细小变形会在曝光过程中减小乃至消失。一般来说，缩小倍数x5是较佳的。

▍步进扫描光刻被大量采用：随着集成电路的集成度不断提高，芯片面积变大，要求一次曝光的面积增大，促使更为先进的步进扫描光刻机问世。步进扫描光刻机在曝光视场尺寸及曝光均匀性上更有优势，在0.25μm以下的制造中减少了步进重复光刻机的应用。

步进式和扫描式光刻机的比较(a)对于9cm的图形，步进重复式光刻机需要42.4mm直径的透镜区域(b)同样的图形,步进扫描式光刻机只需23.7mm直径的透镜区域

步进扫描采用动态扫描方式，掩膜版相对晶圆同步完成扫描运动，完成当前曝光后，至下一步扫描场位置，继续进行重复曝光，直到整个晶圆曝光完毕。从0.18μm节点开始，硅基底CMOS工艺大量采用步进扫描光刻，7nm以下工艺节点使用的EUV采用的也是步进扫描方式。

光刻技术：干法光刻和浸润式光刻

投影光刻技术根据投影物镜下方和晶圆间是否有水作为介质可以分为干式光刻和浸润式光刻。

▍干式光刻技术无法满足不断缩小的线宽：光从投影物镜射出，由玻璃介质进入空气介质，会发生衍射，光角度发生变化，最终成像于晶圆表面。随着线宽不断缩小，衍射效应不断增加，需要增大投影物镜直径来接受更多的光，这导致物镜内聚焦的光角度越来越大，再经过折射效应，射出投影物镜的光角度接近水平，无法成像，因此出现了浸润式光刻技术。

▍浸润式光刻技术使光刻水平进一步提高：投影物镜下方和晶圆间充满水，由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波长中,折射率空气=1，水=1.44，玻璃约为1.5），从投影物镜射出的光进入水介质后，折射角较小，光可以正常从物镜中折射出来。ArF光源加浸润技术实际等效的波长为193nm/1.44=134nm。

光刻机的技术水平决定集成电路的发展水平

光刻机的技术水平很大程度上决定了集成电路的发展水平。随着EUV光刻机的出现，芯片制程最小达到3nm。目前ASML正在研发High-NA EUV光刻机，制程可达2nm、 1.8nm，预计2025年量产。同时，英伟达在23年GTC大会上也表示其通过突破性的光刻计算库cuLitho，将计算光刻加速40倍以上，使得2nm及更先进芯片的生产成为可能， ASML、台积电已参与合作，届时将带动芯片性能再次提高。

参考文献：

1.【美】Peter Van Zant ，韩郑生译，芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版），电子工业出版社；

2.【日】佐藤淳一，王艺文，王姝娅译，图解入门半导体制造工艺基础精讲（第四版），机械工业出版社；；

3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社；

4.Wechat~ 智能计算芯世界，光刻机研究：从0到1，星辰大海

https://mp.weixin.qq.com/s/u7ntJrR6DftVN7DQZ8kePg；

5. Wechat~ 半导体行业观察，万字长文，说透光刻机

https://mp.weixin.qq.com/s/6qfiqCHqeCWk4R512tZ_7g。

内容来源：编辑整理

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