半导体制造设备系列(1)-光刻机

半导体制造设备系列(1)-光刻机

光刻机当前对我国的战略意义，似乎不亚于多半个世纪前原子弹的战略意义。以至于网络上出现了诸多类似于“光刻机和原子弹哪个更难造”的讨论。半导体工艺推动了现代社会的科技进步，而光刻机则是半导体工业中的“皇冠”。

一、光刻机的原理：

光刻是指光刻胶在特殊波长光线或者电子束的作用下发生化学变化，通过后续曝光、显影、刻蚀等工艺过程，将设计在掩膜版上的图形转移到衬底上的图形精细加工技术。激光器作为光源发射光束，经过光路调整后，光束穿透掩膜版及镜片，经物镜补偿光学误差，将图形曝光在带有光刻胶的硅晶圆上，然后显影在硅片上。

图1. 光刻机结构示意图

光刻行业的关键定理—瑞利公式：CD=k1*(λ /NA)。CD 为关键尺寸(Critical Dimension)，λ代表光源波长；k1是工艺相关参数，一般多在0.25到0.4之间；NA(Numerical Aperture)被称作数值孔径，是光学镜头的一个重要指标，一般光刻机设备都会明确标注该指标的数值。为了降低 CD，实现更为精细的加工尺寸，有三种方式：(1) 降低光源的波长λ；(2) 提高镜头的数值孔径 NA；(3) 降低综合因素 k1。

光刻机的另外一个重要参数是套刻精度(Overlay Accuracy)。其基本含义是指前后两道光刻工序之间彼此图形的对准精度(3σ)，如果对准的偏差过大，就会直接影响产品的良率。对于高阶的光刻机，一般设备供应商就套刻精度会提供两个数值，一种是单机自身的两次套刻误差，另一种是两台设备（不同设备）间的套刻误差。

二、光刻机的分类：

图2. 光刻机发展历程

光刻机发展至今，已经历了5代产品的迭代。在1985年之前，第一代光刻机光源以436nm的g-line汞灯光源为主，只适用于5μm以上制程；之后出现了365nm的i-line汞灯光源的第二代光刻机，制程精度来到了350-500nm。第一二代均为接触/接近式光刻机。第三代为扫描投影式光刻机，光源改进为248nm的KrF氟化氪准分子深紫外光源(DUV:Deep Ultraviolet Light)，实现了跨越式发展，将最小工艺推进至150-250nm；第四代为步进式投影式光刻机，采用193nm波长的ArF氟化氩准分子激光光源，可实现制程推进到了65-130nm，在此基础上又实现了浸入步进式投影式光刻机(ArFi光刻, i代表immersion)：所谓浸入技术，就是让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中。由于液体的折射率大于1，使得激光的实际波长会大幅度缩小。目前主流采用的纯净水的折射率为1.44，所以ArF加浸入技术实际等效波长=193nm/1.44=134nm，从而实现更高的分辨率。

按照这个发展思路，那么下面应该就是采用波长更短的准分子激光器，实现更高分辨率。基于F2(氟)准分子激光器成为了潜在选手，其波长为157nm。然而F2准分子激光器在叠加浸入式的时候出现了问题，由于在157nm波长下水是不透明的液体，无法通过浸入式来进一步降低波长，因此需要寻找新的发展方向。第五代为EUV(Extreme Ultraviolet, 极紫外)光刻机，选取了新的方案来进一步提供更短波长的光源。目前主要采用的办法是将准分子激光照射在锡等靶材上，激发出13.5nm的光子，作为光刻机光源。ASML 目前其是全世界唯一一家能够设计和制造EUV光刻机设备的厂商。

三、光刻机的产业链：

光刻机产业链主要包括上游核心组件及配套设备、中游光刻机生产及下游光刻机应用三大环节。光刻机技术极为复杂，在所有半导体制造设备中技术含量最高。主要涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术， 生产一台光刻机往往涉及到上千家供应商，比如德国的光学设备与超精密仪器，美国的计量设备与光源等， 主要组件包括双工作台、 光源系统、 曝光系统、浸没系统、 物镜系统、光栅系统等，配套设施包括光刻胶、掩膜版、涂胶显影等。

图3. 光刻机产业链

光刻机中最核心组件是光源和镜头。以ASML为例，其镜头供应商为德国蔡司，光源供应商为美国 Cymer(已被ASML收购）和日本 Gigaphoton，其中 EUV 光刻机光源由 Cymer 独家供应。

镜头：当波长达到EUV波段时，绝大多数材料都不具有良好的透射特性，DUV类似的透射光学系统将不再适用。因此EUV及以后的更短波长光刻机基本都只能做反射系统。然而，现实世界中没有任何材料可以在单层中反射大部分 EUV 光。然而多层则可以增强彼此的反射，于是业界探讨用这种方式制作相当高效的 EUV 反射镜来缩小和聚焦图像。而由钼(部分反射 EUV 光)和硅(对 EUV 大部分透明)交替纳米层制成的反射镜就成为了大家努力的方向。不过，这样的EUV 反射镜的制作极其复杂，因为它们的表面需要几乎完美光滑和干净，每个纳米层都需要具有精确定义的厚度。让每个原子都需要在正确的位置，否则可能会丢失光或图像可能会变形。

光源: 所谓EUV极紫外光，是指波长在10-100nm范围内的紫外线。然而，地球上是没有自然的EUV光源的，太阳光谱中的EUV部分会被大气层和臭氧层完全吸收，无法到达地面，因此需要人工产生EUV。人工产生EUV主要有2个难点：首先，EUV 光很难以受控方式产生。只有多重电离原子内壳中的激发电子才能发射 EUV。其次，EUV 光很容易被空气和其他气体吸收。这意味着光从产生的那一刻到撞击硅片的那一刻，都必须穿过高质量的真空。这也意味着不可能构建“EUV 镜头”。相反，需要使用高度复杂的曲面反射镜。传统的光掩模也会吸收过多的光，因此它也需要具有反射性。

图4. ASML、Nikon、Canon光刻机销售情况

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