一文讀懂光刻機(jī)的工作原理

光刻是集成電路最重要的加工工藝，他的作用，如同金工車間中車床的作用。光刻是制造芯片的最關(guān)鍵技術(shù)，在整個(gè)芯片制造工藝中，幾乎每個(gè)工藝的實(shí)施，都離不開(kāi)光刻的技術(shù)。

光刻機(jī)的工作原理： 利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過(guò)具有圖形的光罩對(duì)涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見(jiàn)光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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。

鏡頭： 鏡頭是光刻機(jī)最核心的部分，采用的不是一般的鏡頭，可以達(dá)到高2米直徑1米，甚至更大。光刻機(jī)的整個(gè)曝光光學(xué)系統(tǒng)，由數(shù)十塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成，其光學(xué)零件精度控制在幾個(gè)納米以內(nèi)，目前光刻機(jī)鏡頭最強(qiáng)大的是老牌光學(xué)儀器公司德國(guó)蔡司，ASML用的就是他家的鏡頭。 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)。下表是各類光刻機(jī)光源的具體參數(shù)：

最早光刻機(jī)的光源是采用汞燈產(chǎn)生的紫外光源（UV:UltravioletLight），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:DeepUltravioletLight）。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)（ImmersionTechnology）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:ExtremeUltravioletLight）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（NumericalAperture）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)。 關(guān)于這個(gè)參數(shù)的具體含義和詳細(xì)解釋，有興趣的朋友可以參考維基百科。

套刻精度： 套刻精度（OverlayAccuracy）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。 套刻精度其實(shí)是光刻機(jī)的另一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，不過(guò)有時(shí)非專業(yè)人士在研究學(xué)習(xí)光刻機(jī)性能時(shí)會(huì)容易忽略。我們?cè)诤竺娴母鞔蠊?yīng)商產(chǎn)品詳細(xì)列表里，特意加上了這個(gè)指標(biāo)。

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（gatelength），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‘sLaw）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。 但是到了28nm之后的工藝，節(jié)點(diǎn)的數(shù)值變得有些混亂。一些Foundry廠可能是出于商業(yè)宣傳的考量，故意用一些圖形的特征尺寸（FeatureSize）來(lái)表示工藝節(jié)點(diǎn)，他們往往用最致密周期圖形的半間距長(zhǎng)度來(lái)作為工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)值。這樣一來(lái)，雖然工藝節(jié)點(diǎn)的發(fā)展依然是按照0.7倍的規(guī)律前進(jìn)，但實(shí)際上晶體管的面積以及電性能的提升則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于節(jié)點(diǎn)數(shù)值變化。更為麻煩的是，不同F(xiàn)oundry的工藝節(jié)點(diǎn)換算方法不一，這便導(dǎo)致了很多理解上的混亂。根據(jù)英特爾的數(shù)據(jù)，他們20nm工藝的實(shí)際性能就已經(jīng)相當(dāng)于三星的14nm和臺(tái)積電的16nm工藝了。
上圖為英特爾公布的10nm節(jié)點(diǎn)詳細(xì)工藝參數(shù)對(duì)比。由圖可以明顯看到，同樣10nm工藝節(jié)點(diǎn)上，英特爾的晶體管密度大約是三星和臺(tái)積電的兩倍。 在65nm工藝及以前，工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)值幾乎和光刻機(jī)的最高分辨率是一致的。由于鏡頭NA的指標(biāo)沒(méi)有太大的變化，所以工藝節(jié)點(diǎn)的水平主要由光源的波長(zhǎng)所決定。ArF193nm的波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)的最高工藝節(jié)點(diǎn)就是65nm。 而到了65nm以后，由于光源波長(zhǎng)難于進(jìn)一步突破，業(yè)界采用了浸入式技術(shù)，將等效的光源波長(zhǎng)縮小到了134nm。不僅如此，在液體中鏡頭的NA參數(shù)也有了較大的突破。根據(jù)ASML產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，采用浸入技術(shù)之后，NA值由0.50–0.93發(fā)展到了0.85–1.35，從而進(jìn)一步提高了分辨率。同時(shí)，在相移掩模（Phase-ShiftMask）和OPC（OpticalProximityCorrection）等技術(shù)的協(xié)同助力之下，在光刻設(shè)備的光源不變的條件下，業(yè)界將工藝節(jié)點(diǎn)一直推進(jìn)到了28nm。 而到了28nm以后，由于單次曝光的圖形間距已經(jīng)無(wú)法進(jìn)一步提升，所以業(yè)界開(kāi)始廣泛采用MultiplePatterning的技術(shù)來(lái)提高圖形密度，也就是利用多次曝光和刻蝕的辦法來(lái)產(chǎn)生更致密圖形。 值得特別注意的是，MultiplePatterning技術(shù)的引入導(dǎo)致了掩模（Mask）和生產(chǎn)工序的增加，直接導(dǎo)致了成本的劇烈上升，同時(shí)給良率管理也帶來(lái)一定的麻煩。同時(shí)由于前述的原因，節(jié)點(diǎn)的提升并沒(méi)有帶來(lái)芯片性能成比例的增加，所以目前只有那些對(duì)芯片性能和功耗有著極端要求的產(chǎn)品才會(huì)采用這些高階工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)。于是，28nm便成為了工藝節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要的分水嶺，它和下一代工藝之間在性價(jià)比上有著巨大的差別。大量不需要特別高性能，而對(duì)成本敏感的產(chǎn)品（比如IOT領(lǐng)域的芯片）會(huì)長(zhǎng)期對(duì)28nm工藝有著需求。所以28nm節(jié)點(diǎn)會(huì)成為一個(gè)所謂的長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)，在未來(lái)比較長(zhǎng)的一段時(shí)間里都會(huì)被廣泛應(yīng)用，其淘汰的時(shí)間也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于其它工藝節(jié)點(diǎn)。

各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)和工藝及光刻機(jī)光源類型的關(guān)系圖 根據(jù)業(yè)界的實(shí)際情況，英特爾和臺(tái)積電一直到7nm工藝節(jié)點(diǎn)都依然使用浸入式ArF的光刻設(shè)備。但是對(duì)于下一代的工藝，則必須采用EUV光源的設(shè)備了。目前全球只有ASML一家能夠提供波長(zhǎng)為13.5nm的EUV光刻設(shè)備。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)5nm和3nm的工藝，必然是EUV一家的天下。事實(shí)上，三星在7nm節(jié)點(diǎn)上便已經(jīng)采用了EUV光刻設(shè)備，而中芯國(guó)際最近也訂購(gòu)了一臺(tái)EUV用于7nm工藝的研發(fā)。

在售的部分光刻機(jī)的列表及相關(guān)參數(shù) 目前光刻設(shè)備按照曝光方式分為Stepper和Scanner兩種。Stepper是傳統(tǒng)地一次性將整個(gè)區(qū)域進(jìn)行曝光；而Scanner是鏡頭沿Y方向的一個(gè)細(xì)長(zhǎng)空間曝光，硅片和掩模同時(shí)沿X方向移動(dòng)經(jīng)過(guò)曝光區(qū)動(dòng)態(tài)完成整個(gè)區(qū)域的曝光。和Stepper相比，Scanner不僅圖像畸變小、一致性高，而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻機(jī)都是Scanner，只有部分老式設(shè)備依舊是Stepper。上表中如果沒(méi)有特別注明，都是屬于Scanner類型。