半導體制造設備系列(1)-光刻機

光刻機當前對我國的戰略意義，似乎不亞于多半個世紀前原子彈的戰略意義。以至于網絡上出現了諸多類似于“光刻機和原子彈哪個更難造”的討論。半導體工藝推動了現代社會的科技進步，而光刻機則是半導體工業中的“皇冠”。

一、光刻機的原理：

光刻是指光刻膠在特殊波長光線或者電子束的作用下發生化學變化，通過后續曝光、顯影、刻蝕等工藝過程，將設計在掩膜版上的圖形轉移到襯底上的圖形精細加工技術。激光器作為光源發射光束，經過光路調整后，光束穿透掩膜版及鏡片，經物鏡補償光學誤差，將圖形曝光在帶有光刻膠的硅晶圓上，然后顯影在硅片上。

圖1. 光刻機結構示意圖

光刻行業的關鍵定理—瑞利公式：CD=k1*(λ /NA)。CD 為關鍵尺寸(Critical Dimension)，λ代表光源波長；k1是工藝相關參數，一般多在0.25到0.4之間；NA(Numerical Aperture)被稱作數值孔徑，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值。為了降低 CD，實現更為精細的加工尺寸，有三種方式：(1) 降低光源的波長λ；(2) 提高鏡頭的數值孔徑 NA；(3) 降低綜合因素 k1。

光刻機的另外一個重要參數是套刻精度(Overlay Accuracy)。其基本含義是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。

二、光刻機的分類：

圖2. 光刻機發展歷程

光刻機發展至今，已經歷了5代產品的迭代。在1985年之前，第一代光刻機光源以436nm的g-line汞燈光源為主，只適用于5μm以上制程；之后出現了365nm的i-line汞燈光源的第二代光刻機，制程精度來到了350-500nm。第一二代均為接觸/接近式光刻機。第三代為掃描投影式光刻機，光源改進為248nm的KrF氟化氪準分子深紫外光源(DUV:Deep Ultraviolet Light)，實現了跨越式發展，將最小工藝推進至150-250nm；第四代為步進式投影式光刻機，采用193nm波長的ArF氟化氬準分子激光光源，可實現制程推進到了65-130nm，在此基礎上又實現了浸入步進式投影式光刻機(ArFi光刻, i代表immersion)：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波長=193nm/1.44=134nm，從而實現更高的分辨率。

按照這個發展思路，那么下面應該就是采用波長更短的準分子激光器，實現更高分辨率。基于F2(氟)準分子激光器成為了潛在選手，其波長為157nm。然而F2準分子激光器在疊加浸入式的時候出現了問題，由于在157nm波長下水是不透明的液體，無法通過浸入式來進一步降低波長，因此需要尋找新的發展方向。第五代為EUV(Extreme Ultraviolet, 極紫外)光刻機，選取了新的方案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，激發出13.5nm的光子，作為光刻機光源。ASML 目前其是全世界唯一一家能夠設計和制造EUV光刻機設備的廠商。

三、光刻機的產業鏈：

光刻機產業鏈主要包括上游核心組件及配套設備、中游光刻機生產及下游光刻機應用三大環節。光刻機技術極為復雜，在所有半導體制造設備中技術含量最高。主要涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術， 生產一臺光刻機往往涉及到上千家供應商，比如德國的光學設備與超精密儀器，美國的計量設備與光源等， 主要組件包括雙工作臺、 光源系統、 曝光系統、浸沒系統、 物鏡系統、光柵系統等，配套設施包括光刻膠、掩膜版、涂膠顯影等。

圖3. 光刻機產業鏈

光刻機中最核心組件是光源和鏡頭。以ASML為例，其鏡頭供應商為德國蔡司，光源供應商為美國 Cymer(已被ASML收購）和日本 Gigaphoton，其中 EUV 光刻機光源由 Cymer 獨家供應。

鏡頭：當波長達到EUV波段時，絕大多數材料都不具有良好的透射特性，DUV類似的透射光學系統將不再適用。因此EUV及以后的更短波長光刻機基本都只能做反射系統。然而，現實世界中沒有任何材料可以在單層中反射大部分 EUV 光。然而多層則可以增強彼此的反射，于是業界探討用這種方式制作相當高效的 EUV 反射鏡來縮小和聚焦圖像。而由鉬(部分反射 EUV 光)和硅(對 EUV 大部分透明)交替納米層制成的反射鏡就成為了大家努力的方向。不過，這樣的EUV 反射鏡的制作極其復雜，因為它們的表面需要幾乎完美光滑和干凈，每個納米層都需要具有精確定義的厚度。讓每個原子都需要在正確的位置，否則可能會丟失光或圖像可能會變形。

光源: 所謂EUV極紫外光，是指波長在10-100nm范圍內的紫外線。然而，地球上是沒有自然的EUV光源的，太陽光譜中的EUV部分會被大氣層和臭氧層完全吸收，無法到達地面，因此需要人工產生EUV。人工產生EUV主要有2個難點：首先，EUV 光很難以受控方式產生。只有多重電離原子內殼中的激發電子才能發射 EUV。其次，EUV 光很容易被空氣和其他氣體吸收。這意味著光從產生的那一刻到撞擊硅片的那一刻，都必須穿過高質量的真空。這也意味著不可能構建“EUV 鏡頭”。相反，需要使用高度復雜的曲面反射鏡。傳統的光掩模也會吸收過多的光，因此它也需要具有反射性。

圖4. ASML、Nikon、Canon光刻機銷售情況

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