【專題 | 「光刻機(jī)」光刻技術(shù)_ASML光刻機(jī)_國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)_EUV光刻機(jī)】

光刻機(jī)的發(fā)展限制了現(xiàn)在的芯片發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的光刻機(jī)發(fā)展和國(guó)外的差距非常大，那么光刻機(jī)的技術(shù)包括哪些方面呢?

光刻機(jī)就是放大的單反，光刻機(jī)就是將光罩上的設(shè)計(jì)好集成電路圖形通過(guò)光線的曝光印到光感材料上，形成圖形。最核心的就是鏡頭，這個(gè)不是一般的鏡頭，可以達(dá)到高2米直徑1米，甚至更大。

光源

光源是光刻機(jī)核心之一，光刻機(jī)的工藝能力首先取決于其光源的波長(zhǎng)。最早光刻機(jī)的光源是采用汞燈產(chǎn)生的紫外光源(UV: Ultraviolet Light)，從g-line一直發(fā)展到i-line，波長(zhǎng)縮小到365nm，實(shí)際對(duì)應(yīng)的分辨率大約在200nm以上。隨后，業(yè)界采用了準(zhǔn)分子激光的深紫外光源(DUV: Deep Ultraviolet Light)。將波長(zhǎng)進(jìn)一步縮小到ArF的193nm。不過(guò)原本接下來(lái)打算采用的157nm的F2準(zhǔn)分子激光上遇到了一系列技術(shù)障礙以后，ArF加浸入技術(shù)(Immersion Technology)成為了主流。

所謂浸入技術(shù)，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(shí)際波長(zhǎng)會(huì)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(shù)實(shí)際等效的波長(zhǎng)為193nm/1.44=134nm。從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。F2準(zhǔn)分子激光之所以沒(méi)有得以發(fā)展的一個(gè)重大原因是，157nm波長(zhǎng)的光線不能穿透純凈水，無(wú)法和浸入技術(shù)結(jié)合。所以，準(zhǔn)分子激光光源只發(fā)展到了ArF。

這之后，業(yè)界開(kāi)始采用極紫外光源(EUV: Extreme Ultraviolet Light)來(lái)進(jìn)一步提供更短波長(zhǎng)的光源。目前主要采用的辦法是將準(zhǔn)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(jī)光源。目前，各大Foundry廠在7nm以下的最高端工藝上都會(huì)采用EUV光刻機(jī)，其中三星在7nm節(jié)點(diǎn)上就已經(jīng)采用了。而目前只有荷蘭ASML一家能夠提供可供量產(chǎn)用的EUV光刻機(jī)。

分辨率

光刻機(jī)的分辨率(Resolution)表示光刻機(jī)能清晰投影最小圖像的能力，是光刻機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，決定了光刻機(jī)能夠被應(yīng)用于的工藝節(jié)點(diǎn)水平。但必須注意的是，雖然分辨率和光源波長(zhǎng)有著密切關(guān)系，但兩者并非是完全對(duì)應(yīng)。具體而言二者關(guān)系公式是：

公式中R代表分辨率;λ代表光源波長(zhǎng);k1是工藝相關(guān)參數(shù)，一般多在0.25到0.4之間;NA(Numerical Aperture)被稱作數(shù)值孔徑，是光學(xué)鏡頭的一個(gè)重要指標(biāo)，一般光刻機(jī)設(shè)備都會(huì)明確標(biāo)注該指標(biāo)的數(shù)值。

所以我們?cè)谘芯亢土私夤饪虣C(jī)性能的時(shí)候，一定要確認(rèn)該值。在光源波長(zhǎng)不變的情況下，NA的大小直接決定和光刻機(jī)的實(shí)際分辨率，也等于決定了光刻機(jī)能夠達(dá)到的最高的工藝節(jié)點(diǎn)。

套刻精度

套刻精度(Overlay Accuracy)的基本含義時(shí)指前后兩道光刻工序之間彼此圖形的對(duì)準(zhǔn)精度(3σ)，如果對(duì)準(zhǔn)的偏差過(guò)大，就會(huì)直接影響產(chǎn)品的良率。對(duì)于高階的光刻機(jī)，一般設(shè)備供應(yīng)商就套刻精度會(huì)提供兩個(gè)數(shù)值，一種是單機(jī)自身的兩次套刻誤差，另一種是兩臺(tái)設(shè)備(不同設(shè)備)間的套刻誤差。

工藝節(jié)點(diǎn)

工藝節(jié)點(diǎn)(nodes)是反映集成電路技術(shù)工藝水平最直接的參數(shù)。目前主流的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)以前)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)值一般指MOS管柵極的最小長(zhǎng)度(gate length)，也有用第二層金屬層(M2)走線的最小間距(pitch)作為節(jié)點(diǎn)指標(biāo)的。

節(jié)點(diǎn)的尺寸數(shù)值基本上和晶體管的長(zhǎng)寬成正比關(guān)系，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)基本上是前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的0.7倍。這樣以來(lái)，由于0.7X0.7=0.49，所以每一代工藝節(jié)點(diǎn)上晶體管的面積都比上一代小大約一半，也就是說(shuō)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's Law)的基礎(chǔ)所在。一般而言，大約18~24個(gè)月，工藝節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)展一代。

芯片制造核心工藝介紹

光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過(guò)程通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)， 光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生產(chǎn)中需要進(jìn)行 20-30 次的光刻，耗時(shí)占到 IC 生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的 1/3。

光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線(一般是紫外光、深紫外光、極紫外光)透過(guò)掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)。此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠， 就實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。光刻完成后對(duì)沒(méi)有光刻膠保護(hù)的硅片部分進(jìn)行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠， 就實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件在硅片表面的構(gòu)建過(guò)程。

光刻分為正性光刻和負(fù)性光刻兩種基本工藝，區(qū)別在于兩者使用的光刻膠的類型不同。負(fù)性光刻使用的光刻膠在曝光后會(huì)因?yàn)榻宦?lián)而變得不可溶解，并會(huì)硬化，不會(huì)被溶劑洗掉，從而該部分硅片不會(huì)在后續(xù)流程中被腐蝕掉，負(fù)性光刻光刻膠上的圖形與掩模版圖形相反。

光刻機(jī)的技術(shù)十分復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)也是經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的研究，國(guó)內(nèi)企業(yè)在光刻機(jī)的技術(shù)研究需要從關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，逐步提升自我研究的水平。

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