以ASML的光刻機(jī)為例，其主要由光源模組(Source)、光罩模組（Reticle）、聚光鏡(Optics)和晶圓模組（Wafer）四大模組組成。

圖1：ASML High NA光刻機(jī)

紫外光從光源模組(Source)生成之后，被導(dǎo)入到照明模組(illumination module，該系統(tǒng)要對(duì)光的能量、均勻度、形狀進(jìn)行檢測(cè)和控制)，光穿過光罩后，聚光鏡模組(Optics)將影像聚焦成像在晶圓表面的光阻層上。

其中，光罩模組可分為光罩傳送模組(Reticle Handler)及光罩平臺(tái)模組(Reticle Stage)。光罩傳送模組負(fù)責(zé)將光罩由光罩盒一路傳送到光罩平臺(tái)模組，而光罩平臺(tái)模組負(fù)責(zé)承載及快速來回移動(dòng)光罩；晶圓模組分為晶圓傳送模組(Wafer Handler)及晶圓平臺(tái)模組(Wafer Stage)。晶圓傳送模組負(fù)責(zé)將晶圓由光阻涂布機(jī)一路傳送到晶圓平臺(tái)模組，而晶圓平臺(tái)模組（一般是雙平臺(tái)）負(fù)責(zé)承載晶圓及精準(zhǔn)定位晶圓來曝光。

光刻工藝的基本原理是，利用涂敷在襯底表面的光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)作用，記錄掩模版上的電路圖形，從而實(shí)現(xiàn)將集成電路圖形從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)印到襯底的目的。如下圖所示：首先，使用涂膠機(jī)在襯底表面涂敷光刻膠；其次，使用光刻機(jī)對(duì)涂有光刻膠的襯底進(jìn)行曝光，利用光化學(xué)反應(yīng)作用的機(jī)制，記錄光刻機(jī)傳輸?shù)难谀０鎴D形信息，完成掩模版圖形到襯底的保真?zhèn)鬏敗⑥D(zhuǎn)印；然后使用顯影機(jī)對(duì)曝光襯底進(jìn)行顯影，再刻蝕；最后去除受到殘留的光刻膠。

圖2：光刻工藝流程

集成電路經(jīng)過幾十年的發(fā)展，隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小至7nm以下，曝光波長(zhǎng)逐漸縮短至13.5nm，光刻技術(shù)也在逐步完善成熟，從接觸/接近式光刻、光學(xué)投影光刻、步進(jìn)重復(fù)光刻、掃描光刻、到浸潤(rùn)式光刻和[敏感詞]的EUV光刻。

接觸/接近式光刻

接觸式光刻技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，它是小規(guī)模集成電路(SSI)時(shí)代的主要光刻手段，主要用于生產(chǎn)特征尺寸大于5μm的集成電路。其工作原理為近場(chǎng)菲涅爾衍射(Fresnel Diffraction)成像，其[敏感詞]分辨率可以達(dá)到亞微米級(jí)，掩模版上的圖形與曝光在襯底上的圖形在尺寸上基本是1:1的關(guān)系，即掩模版與襯底的尺寸一樣大，可以一次曝光整個(gè)襯底。在接觸/接近式光刻機(jī)中，掩模版與襯底表面的光刻膠直接接觸，減小了光的衍射效應(yīng)，但在接觸過程中襯底與掩模版之間的摩擦?xí)诙弑砻嫘纬蓜澓郏c此同時(shí)很容易產(chǎn)生顆粒沾污。這會(huì)降低襯底成品率以及掩模版的使用壽命，故接近式光刻技術(shù)得以引入。

圖3：接觸式光刻示意圖

接近式光刻技術(shù)于20世紀(jì)70年代被廣泛應(yīng)用，與接觸式光刻相比，接近式光刻中的掩模版與襯底上的光刻膠并未直接接觸，而是留有被氮?dú)馓畛涞拈g隙。掩模版浮在氮?dú)庵希谀０媾c襯底之間的間隙大小由氮?dú)獾臍鈮簛頉Q定。在接近式光刻中，最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，最小分辨尺寸越小，也即分辨率越高。一般來說，襯底的平整度在1~2μm，要使掩模版懸空在襯底上方而不碰到襯底，掩模版與襯底的最小間隙需控制在2~3μm，這使得接近式曝光機(jī)的空間分辨率極限約為2μm。隨著特征尺寸縮小，出現(xiàn)了投影光刻技術(shù)。

圖4：接近式光刻示意圖

投影光刻技術(shù)

投影光刻技術(shù)自20世紀(jì)70年代中后期開始替代接觸/接近式光刻，基于遠(yuǎn)場(chǎng)傅里葉光學(xué)成像原理，在掩模版和光刻膠之間采用了具有縮小倍率的投影成像物鏡，可以有效提高分辨率。

圖5：投影光刻示意圖

    投影光刻的基本分辨率計(jì)算公式為：

圖6：投影光刻的基本分辨率計(jì)算公式

式中，k₁為工藝因子，其理論極限值是0.25；NA為成像物鏡的數(shù)值孔徑；λ為所使用的光源的波長(zhǎng)。可見要想提高分辨率，就要增大數(shù)值孔徑NA，縮減波長(zhǎng)以及減小工藝因子k₁。目前主流的曝光波長(zhǎng)從g線(436nm)、i線(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)，一直縮減到EUV(13.5nm)。EUV光源波長(zhǎng)是光刻機(jī)能夠使用的[敏感詞]波長(zhǎng)，最短可以達(dá)到6.8nm。在ASML最[敏感詞]的第二代High－NA光刻機(jī)，其孔徑也由0.33增大至0.55。

圖7：光刻工藝的光源的變化

早期，投影光刻技術(shù)中掩模版與襯底圖形尺寸比例為1：1，然而隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小以及襯底尺寸的增大，縮小倍率的步進(jìn)重復(fù)光刻技術(shù)問世，替代了圖形比例為1:1的掃描光刻方式。

步進(jìn)重復(fù)光刻技術(shù)

步進(jìn)重復(fù)光刻利用22mmx22mm的典型靜態(tài)曝光視場(chǎng)(FOV)和縮小比為5:1或4:1的光學(xué)投影物鏡，將掩模版上的圖形縮小轉(zhuǎn)印到襯底上。下圖是步進(jìn)重復(fù)光刻原理圖。在光刻過程中，掩模版固定不動(dòng)，襯底晶圓步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，以完成一片晶圓全部曝光工作。目前步進(jìn)重復(fù)光刻主要應(yīng)用于0.25μm以上工藝，以及先進(jìn)封裝領(lǐng)域。當(dāng)IC工藝來到0.25μm以下時(shí)，由于步進(jìn)掃描光刻機(jī)在掃描曝光視場(chǎng)尺寸及曝光均勻性上均具有優(yōu)勢(shì)，使得步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)的應(yīng)用開始縮減。

圖8：步進(jìn)重復(fù)光刻示意圖

步進(jìn)掃描光刻技術(shù)

在步進(jìn)掃描光刻中，單場(chǎng)曝光采用動(dòng)態(tài)掃描方式，即掩模板相對(duì)襯底晶圓同步完成掃描運(yùn)動(dòng)；完成當(dāng)前曝光后，晶圓由工作臺(tái)承載步進(jìn)至下一步掃描場(chǎng)位置，繼續(xù)進(jìn)行重復(fù)曝光；重復(fù)步進(jìn)并掃描曝光多次，直至整個(gè)晶圓所有場(chǎng)曝光完畢。步進(jìn)掃描光刻的投影物鏡倍率通常為4：1，即掩模板圖形尺寸為晶圓圖形尺寸的四倍，掩模臺(tái)掃描速度也為工作臺(tái)的4倍（在光刻中要時(shí)刻、嚴(yán)格保持掩模臺(tái)相對(duì)工作臺(tái)的高速、高精度同步運(yùn)動(dòng)。例如在浸潤(rùn)式光刻機(jī)中，工作臺(tái)掃描速度達(dá)0.8m/s，對(duì)應(yīng)掩模臺(tái)速度達(dá)到3.2m/s,同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制精度達(dá)到nm量級(jí)），且掃描方向相反，下圖是步進(jìn)掃描光刻示意圖。

圖9：步進(jìn)掃描光刻示意圖

通過配置不同種類的光源(如i線、KrF、ArF)，步進(jìn)掃描光刻或者基于步進(jìn)掃描光刻改進(jìn)的光刻技術(shù)可支撐半導(dǎo)體前道工藝所有的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于典型的硅基底CMOS工藝，從0.18μm節(jié)點(diǎn)開始便大量采用步進(jìn)掃描光刻；目前在7nm以下工藝節(jié)點(diǎn)使用的極紫外光刻機(jī)(EUV)也采用步進(jìn)掃描方式。

浸潤(rùn)式光刻技術(shù)

根據(jù)上面的公式，隨著線寬越來越小，要想得到更小的光刻成像分辨率，可以選擇更短的波長(zhǎng)，或者提高數(shù)值孔徑（NA），簡(jiǎn)單來說，數(shù)值孔徑和投影物鏡直徑大小正相關(guān)，可以通過增加投影物鏡的直徑來提高數(shù)值孔徑。同時(shí)，單個(gè)透鏡本身的光學(xué)特性會(huì)導(dǎo)致原始圖像的失真（像差），因此需要靠不同透鏡的組合來修正圖像的形變。在ASML DUV光刻機(jī)中的先進(jìn)機(jī)種，投影物鏡的高度超過1米，直徑大于40厘米，物鏡內(nèi)各種鏡片的數(shù)量超過15片。

在干式光刻機(jī)中，當(dāng)光從投影物鏡射出時(shí)，由玻璃介質(zhì)進(jìn)入空氣介質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生折射效應(yīng)，射出投影物鏡的光角度會(huì)產(chǎn)生變化，最終在晶圓表面聚焦成像。當(dāng)我們縮小線寬，為了仍可收到1階衍射光而加大投影物鏡的直徑時(shí)，從投影物鏡內(nèi)聚焦的光角度也會(huì)愈來愈大，再經(jīng)過折射效應(yīng)，射出投影物鏡的光角度會(huì)愈來愈接近水平。最后，由于角度太大加上折射效應(yīng)，投影物鏡內(nèi)的光產(chǎn)生全反射而返回物鏡內(nèi)，無(wú)法成像。如下圖所示。

圖10：干式光刻示意圖

采用ArF的光源的掃描光刻機(jī)的極限就在于65nm的線寬，小于65nm的線寬，光射無(wú)法從物鏡中出來，即使再增大物鏡直徑也是徒勞。

浸潤(rùn)式光刻技術(shù)就出現(xiàn)了，其在投影物鏡的下方和晶圓之間充滿了水。由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波長(zhǎng)的雷射中,折射率空氣=1，水=1.44，玻璃約為1.5），從投影物鏡射出的光進(jìn)入水介質(zhì)后，折射角較小，由此折射光就可以正常從物鏡中折射出來。

圖11：光線在玻璃、空氣、水中的折射

目前主流采用的純凈水的折射率為1.44，所以ArF光源加浸潤(rùn)技術(shù)實(shí)際等效的波長(zhǎng)為193nm/1.44=134nm。采用ArF的光源浸潤(rùn)式光刻的最小分辨率可以達(dá)到38nm。為了實(shí)現(xiàn)更小工藝線寬的要求，通過采用多重圖形技術(shù)（多重曝光），可使光刻水平進(jìn)一步提高，可支撐7nm節(jié)點(diǎn)工藝。

值得一提的是，在未出現(xiàn)浸潤(rùn)式光刻技術(shù)之前，業(yè)界半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊(duì)都在專注于157nm波長(zhǎng)技術(shù)的研發(fā)，來自我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)林本堅(jiān)教授，創(chuàng)造性地提出“浸潤(rùn)式微影技術(shù)”后，ASML開始與臺(tái)積電合作開發(fā)浸潤(rùn)式光刻機(jī)，并在 2007年成功推出[敏感詞]臺(tái)浸潤(rùn)式光刻機(jī)TWINSCANXT:1900i，并一舉壟斷市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻機(jī)被市場(chǎng)拋棄，這也是尼康、佳能由盛轉(zhuǎn)衰，ASML一家獨(dú)大的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

浸潤(rùn)式光刻技術(shù)加上多重曝光技術(shù)雖然能最小支撐7nm工藝，但在集成電路實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)中，其工藝復(fù)雜、同時(shí)成本又很高，伴隨著工藝節(jié)點(diǎn)來到5nm，在業(yè)界又引入了EUV光刻技術(shù)。

EUV光刻技術(shù)

相對(duì)于浸潤(rùn)式光刻，引入波長(zhǎng)10-14nm的極紫外光作為曝光光源，形成的EUV光刻工藝，不光可以減小掩模版數(shù)目，節(jié)約成本，同時(shí)可以提高光刻的精度與可靠性。引入極紫外光，設(shè)備對(duì)光源功率以及光學(xué)系統(tǒng)地要求極高。據(jù)了解，ASML 從1999年開始EUV光刻機(jī)的研發(fā)工作，原計(jì)劃在2004年推出產(chǎn)品。但直到2010年ASML才研發(fā)出[敏感詞]臺(tái)EUV原型機(jī)， 2016年才實(shí)現(xiàn)下游客戶的供貨，比預(yù)計(jì)時(shí)間晚了十幾年。

圖12：ASML下一代High NA的工藝路線

ASML[敏感詞]代EUV NXE3400B型號(hào)的光刻機(jī)，其數(shù)值孔徑為0.33、光源波長(zhǎng)為13.5nm、掃描視場(chǎng)為26mm×33mm、光學(xué)分辨率可以達(dá)到13nm半周期。據(jù)了解，臺(tái)積電已使用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了5nm邏輯芯片的量產(chǎn)。未來，對(duì)于更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，ASML計(jì)劃2024量產(chǎn)高數(shù)值孔徑（NA=0.55）極紫外光刻技術(shù)，其分辨率為8nm半周期，可以更快更好地曝光更復(fù)雜的集成電路圖案，同時(shí)密度增加2.9倍，全面支持3nm以下乃至埃米級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)。臺(tái)積電于今年6月份的技術(shù)論壇上曾表示，新一代High NA光刻設(shè)備將于2024年用于生產(chǎn)納米片晶體管（GAAFET）架構(gòu)的2nm（N2）芯片，預(yù)計(jì)在2025年量產(chǎn)。

圖13：各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)和光刻技術(shù)的關(guān)系圖

無(wú)掩模光刻技術(shù)

無(wú)掩模光刻也稱直寫光刻，是指計(jì)算機(jī)控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的襯底上，無(wú)需掩膜直接進(jìn)行掃描曝光。主要有電子束直寫光刻、離子束直寫光刻、激光直寫光刻等，其特點(diǎn)是靈活性高，可柔性制作集成電路，但生產(chǎn)效率很低，在集成電路大規(guī)模生產(chǎn)中運(yùn)用較少，一般用于集成電路器件原型的研制驗(yàn)證制作、光刻掩模版的制作等。

光刻技術(shù)的演變勢(shì)必也要帶來相關(guān)材料的更替，其中就包括了半導(dǎo)體材料皇冠上的明珠——光刻膠。作為集成電路電子化學(xué)品中技術(shù)壁壘[敏感詞]的材料，其純度要求高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，同時(shí)還需要較長(zhǎng)的技術(shù)積累。下期我們將對(duì)光刻膠材料相關(guān)技術(shù)與市場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，敬請(qǐng)關(guān)注。

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