1、光刻機發展歷程

集成電路（Integrated Circuit，IC）是現代信息技術的核心與基石，IC的發展始終遵循著Intel創始人之一——戈登·摩爾（Gordon Moore）提出的摩爾定律：價格不變時，約每隔 18-24個月集成度增多一倍，性能亦隨之提高一倍。

下圖為全世界半導體晶圓代工技術藍圖：

光刻機是IC制造裝備中最核心亦是技術難度最大的裝備，它已然從接觸式、接近式等發展到日前主流的步進掃描式。

日前，光刻機國際市場基本被三大巨擘ASML、Nikon與Canon瓜分，而近年來高端光刻機市場已基本被ASML壟斷。

國內從事光刻機關聯技術科研的單位重點有上海微電子裝備有限機構、清華大學、中國科學院長春光學精細機械與理學科研所、中國科學院光電技術科研所、哈爾濱工業大學、華中科技大學等。與國際先進水平相比，國內光刻機的整體開發及制造水平還存在差距。

光刻機的發展是伴同著工作波長的減少進行的。最早的光源是紫外光源（UV，Ultra-Violet），由汞燈產生波長436nm的g-line激光、405nm的h-line激光與波長365nm的i-line激光。

之后的光源為深紫外光源（DUV，Deep Ultra-Violet），激光為準分子激光（波長248nm的 KrF、波長193nm的ArF）。在深紫外光刻機中加入浸沒式技術，可增多數值孔徑并加強分辨率。

為了減小集成電路的特征尺寸，進一步發展集成電路技術，科研者提出了極紫外（EUV， Extreme Ultra-Violet）光刻機技術。

1997年，美國的極紫外線有限責任機構（EUVLLC）聯盟起始著手EUV光刻技術的產業化科研。該技術采用波長為13.5 nm的極紫外光做為工作激光進行投影光刻。

日前EUV光刻技術為ASML獨有，已進入大批量生產，準許在7 nm及少于7nm節點上進行更簡單、更具成本效益的生產。

EUV光刻機中波長為13.5 nm的激光極易被空氣吸收。為了保準激光的傳播與光源的工作功率，EUV光刻機中的光學系統采用反射式結構，并且全部光學系統置于真空環境中。光刻機的整體環境的改變為光刻機的零部件設計帶來了新的挑戰。

2、光刻機的構成部分

光刻機重點由光源、光路系統及物鏡、雙工件臺、測繪系統、聚焦系統、對準系統等部分構成。其中，晶圓模組部分重點負責揭發前晶片的測 量與參數錄入，照明光學模組部分完成晶圓的揭發。

在晶圓模組部分：晶圓傳送模組中，由機械手臂負責將晶圓由光阻涂布機傳送到晶圓平臺模組。而晶圓雙平臺模組負責在一片晶圓揭發的同期，將待揭發晶圓進行預對準，隨后對其表面高低起伏的程度進行測繪，并將關聯坐標錄入計算機。由此，在不到0.15秒的單位揭發時間內，硅片承載臺能夠精細快速移動以達到最好的揭發效果。

在照明光學模組部分：紫外光從光源模組生成后，被導入到照明模組，并經過糾正、能量掌控器、光束成型安裝等后進入光掩膜臺，隨后經過物鏡賠償光學誤差，最后將線路圖揭發在已測繪對準的晶圓上。

3、光刻機關鍵性能參數

光刻機中重要的性能參數重點有：分辨率、焦深、套刻精度、產率、視場、MTF（調控傳遞函數）、掩膜版誤差因子等。而核心參數為分辨率、焦深和套刻精度。

其中，分辨率與光刻機的最小精度關聯聯，焦深對光刻機影像范圍有影響，套刻精度則決定了工藝層是不是套疊對準。因此呢，這三個技術指標被視為光刻機最重要的三個原因。

現如今，光刻機重點分為EUV光刻系統和DUV光刻系統兩大類，其分辨率分別已然達到了13nm和38nm，套刻精度分別達到了1.1nm和1.3nm。

ASML的NXT 3600D光刻機已然實現了160wph的產率，最佳套刻精度乃至達到了1.1nm，分辨率達到13nm。同期，NXT 2100i相較于NXT2050i在套刻精度方面亦有了20％的提高，能夠用來生產最先進的3nm芯片。而ASML計劃即將發行的NXE 3800E，套刻精度達到了0.9nm，產率亦實現了從160wph到220wph的跨越。

(1)分辨率

分辨率即光刻系統能清晰投影最小圖像的能力。

分辨率數值越小，光刻機性能越佳。分辨率由光源波長、數值孔徑以及光刻工藝參數決定。

按照瑞利準則，分辨率與數值孔徑成反比，與光源波長和工藝參數成正比。其中，數值孔徑衡量系統所能收集光的方向范圍（計算公式為NA=n*sinα，n為介質折射率，α為孔徑角的一半），是物鏡光軸上點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的方向，孔徑角越大，透鏡的光通量越大。

瑞利準則：透鏡系統的分辨率極限。因為光擁有衍射特性，一個無限小的點在影像后會變成一個彌散光斑，叫作為“艾里斑”，因此呢實質光學系統影像的分辨率即兩個艾里斑恰好能夠區掰開的距離。

分辨率改進辦法：1)增大數值孔徑；2) 縮短揭發波長；3) 縮小光刻工藝參數。

焦深即光刻機能夠清晰影像的范圍。依據瑞利判據，焦深與波長成正比關系，與數值孔徑成反比。其中，ASML機構2023年首臺High-NA EUV 光刻機的NA從0.33提高至0.55，焦深隨之縮小至40nm，對聚焦準確性的需求亦隨之加強。同期，焦深還受到數值孔徑、波長、光刻膠厚度、 類型以及晶圓表面平整度等原因影響。

(2)套刻精度

套刻精度指的是光刻工藝中，每一層電路圖圖形間（即當前層對準標記相針對前一層標記）的疊對精度。IC芯片的制造需要在晶圓表面壘加工藝層，且每層揭發圖形必須保準必定精度的套疊對準，以保準芯片的正常功能。隨著半導體工藝的發展，圖形的關鍵尺寸持續減小，對套刻精度的需求亦越來越高。通常的，每層揭發圖形之間的套刻精度需掌控在硅片尺寸的25％～30％。

揭發過程中的套刻流程：硅片揭發需要先制作對準標記，以便于工藝層之間的圖形對準，在進行套刻參數補值后，再揭發當層圖案并制作對準暗號，最后進行外觀、套刻精度與線寬的測繪。

光刻機套刻精度直接受工件臺定位精度的影響，而工件臺定位精度又受到工件臺位置測繪精度的制約，定位誤差在誤差分配中一般占總套刻誤差的非常之一，即針對“14nm”節點，定位精度應優于0.57nm。位置測繪的精度直接決定了多次光刻間的相互重合誤差，因此呢超精細位移測繪系統是光刻機不可或缺的關鍵子系統之一。

(四)光刻機工件臺的結構原理

下圖為ASML步進掃描式光刻機（TWINSCAN系列）的結構示意圖，它重點由光學投影物鏡系統、工件臺系統和對準系統等構成。其中，工件臺系統包含掩模臺和硅片臺，是完成硅片揭發的關鍵子系統之一。

掩模臺和硅片臺分別部署在基座的上下兩層。

如下圖所示，掩模臺上承載掩模板，硅片臺上承載待揭發的硅片。光源發出的光束經整形、勻光等處理后透射到掩模板上。在掃描揭發過程中，掩模臺與硅片臺在掃描方向上作精確地同步運動，從而將掩模板上的圖像以4:1的比例投影到硅片的揭發視場內。之后，硅片臺作步進運動將下一視場運動到揭發區，如此循環地完成硅片上所有視場的揭發。

工件臺的軌跡跟蹤性能是保準光刻機產率和分辨率的關鍵。

為了在大行程范圍內實現高加速、高速及高精度的運動，光刻機工件臺廣泛采用粗精疊層結構。

其中，粗動臺完成大行程、微米級精度運動；小行程的微（精）動臺疊加在粗動臺上，用于賠償粗動臺的運動誤差，最后實現納米級運動精度。

下圖是ASML TWINSCAN XT系列光刻機硅片臺的結構示意圖，由三個直線電公司成H型粗動臺，實現x-y平面大行程粗動；微動臺由若干音圈電機驅動，采用激光干涉儀作位移反饋，實現六自由度微動。

下圖是ASML TWINSCAN NXT系列光刻機硅片臺的結構示意圖，粗動臺由磁懸浮平面電機驅動，省去了從直線運動到平面運動的中間轉換安裝，擁有動態特性好、結構簡單等優點；微動臺依然由若干音圈電機驅動，但采用平面光柵作位移反饋。與激光干涉儀相比，平面光柵受氣壓、溫度、濕度等環境原因的影響較小，且結構更為緊湊。因此呢，相比于XT系列，NXT系列光刻機可實現更高的產率和分辨率。

(五)雙工件臺的運行原理

傳統的光刻機工件臺系統僅包括一個掩模臺和一個硅片臺，硅片的上片、形貌測繪、掃描揭發、下片等工序依次完成。為了加強光刻機的產率，ASML于2000年首次提出了雙硅片臺技術，并將其成功應用于TWINSCAN系列光刻機中。雙硅片臺技術將硅片的以上工序分離成兩個并行處理的部分，一個硅片臺在測繪位進行硅片的上下片、形貌測繪等準備工作，同期另一硅片臺在揭發位進行硅片的掃描揭發，待完成后兩硅片臺交換位置與職能，如此循環地實現硅片的有效揭發。

光刻機晶圓臺是磁懸浮運動的，其運動由三個平面運動自由度XYZ和三個旋轉載由度構成，因此呢測繪系統需對其完成六自由度的位移測繪。日前，雙頻激光干涉儀和二維光柵尺是當前最為常用的兩種測繪六自由度位移的高精度測繪辦法。

下圖是國內自主開發的超精細硅片臺采用粗精疊層結構。粗動臺以三路激光尺作位移反饋，微動臺以分辨率為0.6 nm的九軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，并經過電渦流傳感器測繪微動臺與粗動臺之間的相對位移。硅片臺采用獨立掌控模式，即微動臺、粗動臺相互獨立地跟蹤相同的參考軌跡。

下圖為清華大學IC裝備科研室最新自主開發的光刻機雙硅片臺，氣浮粗動臺由平面電機驅動，磁浮微動臺由若干音圈電機驅動并經過9軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，在國內處在領先水平。

(六)雙工件臺的技術難點

(1)對準精度高。

芯片制造中圖形的揭發需多層疊加，掩膜揭發的圖形必須和前一層掩膜揭發準確套疊在一塊，疊加的誤差即為套刻精度，需求為2nm以下。硅片上對準標記的數目越多，對準精度越低。

(2)運動速度快。

當前ASML最先進的DUV光刻機產率高達300wph，0.1秒完成1個影像單元的揭發影像，這需求晶圓平臺以高達7g的加速度高速移動。

(3)運作穩定。

雙工件臺頻繁的位置互換，對加減速防震、精確定位及減少磨損等需求極 高，同期需保持長期的高速運作。

隨著工件臺的尺寸及推重比持續增大，其動力學特性愈來愈繁雜：模型階次更高、高頻段的不確定性更大，從而引起建模誤差很強。工件臺需要在高加速、高速的狀況下實現納米級軌跡跟蹤精度及毫秒級創立時間。雖然關聯技術很難，隨著我國技術的持續進步，高端光刻機關聯技術亦將逐步被解決！

關于光刻機結構及工件臺的內容就介紹到這兒，歡迎各位朋友點贊！

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