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

光刻機(jī)在現(xiàn)在的芯片市場中處于非常重要的位置，其技術(shù)發(fā)展水平將直接影響芯片的發(fā)展。那么現(xiàn)在光刻機(jī)的工作原理是什么，它是怎樣在芯片制造中發(fā)揮作用的呢?

光刻機(jī)在芯片制造的作用

光刻機(jī)根據(jù)應(yīng)用工序不同，可以分為用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)，以及用于封裝的光刻機(jī)，其中封裝光刻機(jī)對于光刻精度和控制精度的要求都比制造用光刻機(jī)低很多，價值量也相對較低。

光刻機(jī)是芯片制造中光刻環(huán)節(jié)的核心設(shè)備， 技術(shù)含量、價值含量極高。 光刻機(jī)涉及系統(tǒng)集成、精密光學(xué)、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多項先進(jìn)技術(shù)，是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，因此也具備極高的單臺價值量，目前世界上最先進(jìn)的 ASML EUV光刻機(jī)單價達(dá)到近一億歐元，可滿足 7nm 制程芯片的生產(chǎn)。

光刻機(jī)通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。 不同光刻機(jī)的成像比例不同，有 5:1，也有 4:1。

制程小的芯片是需求

制程小的芯片處理速度快。小制程芯片內(nèi)部晶體管導(dǎo)電溝道短，信號傳遞速度快，單位時間內(nèi)芯片能處理更多的信息，時鐘頻率更高。單位面積性能提升，成本降低。更小的晶體管尺寸意味著單位面積芯片可以制造更多的晶體管，芯片集成度得到提升，即增加了芯片的功能，又使單位芯片的成本得到降低。光刻工藝水平?jīng)Q定了晶體管尺寸的大小，因此芯片制程的不斷縮小必然伴隨著光刻機(jī)產(chǎn)品的不斷升級和創(chuàng)新，從本質(zhì)上說，正是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對更高性能、更低成本芯片的不斷追求推動了光刻機(jī)設(shè)備的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

光刻機(jī)是延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵。摩爾定律提出，當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。半導(dǎo)體行業(yè)最初三十年的發(fā)展能夠基本滿足摩爾定律， 關(guān)鍵就在于光刻機(jī)能不斷實現(xiàn)更小的分辨率水平。近十年來摩爾定律的時間間隔已經(jīng)延長至 3-4 年，原因就在于光刻機(jī)的發(fā)展低于行業(yè)的預(yù)期。

光刻機(jī)工作原理

測量臺、曝光臺：是承載硅片的工作臺。

激光器：也就是光源，光刻機(jī)核心設(shè)備之一。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。

遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。

能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設(shè)備，運動控制精度是nm級的。

物鏡：物鏡用來補償光學(xué)誤差，并將線路圖等比例縮小。

硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、 notch。

內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

在加工芯片的過程中，光刻機(jī)通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過程。

光刻機(jī)在芯片制造中的應(yīng)用在近幾年的發(fā)展在放緩，主要是在提升技術(shù)的同時也會面臨新的技術(shù)問題，隨著現(xiàn)階段對芯片工藝的要求提高，光刻機(jī)的技術(shù)問題也將逐漸得到解決。

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