一文看懂a(chǎn)sml光刻機(jī)工作原理及基本構(gòu)造

在半導(dǎo)體芯片制造設(shè)備中，投資最大、也是最為關(guān)鍵的是光刻機(jī)，光刻機(jī)同時也是精度與難度最高、技術(shù)最為密集、進(jìn)步最快的一種系統(tǒng)性工程設(shè)備。光學(xué)光刻技術(shù)與其它光刻技術(shù)相比，具有生產(chǎn)率高、成本低、易實現(xiàn)高的對準(zhǔn)和套刻精度、掩模制作相對簡單、工藝條件容易掌握等優(yōu)點，一直是半導(dǎo)體芯片制造產(chǎn)業(yè)中的主流光刻技術(shù)。目前，國際上半導(dǎo)體芯片制造生產(chǎn)線上的主流光刻設(shè)備是248nm（KrF）準(zhǔn)分子激光投影光刻機(jī)，并正在向193nm（ArF）準(zhǔn)分子激光投影光刻機(jī)過渡。荷蘭ASML公司作為全球三大光刻機(jī)集成生產(chǎn)商之一，堅持不懈地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新以增強(qiáng)其競爭力，在全球光刻機(jī)銷售市場上居于領(lǐng)先地位。

asml光刻機(jī)工作原理

上圖是一張ASML光刻機(jī)介紹圖。下面，簡單介紹一下圖中各設(shè)備的作用。

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(yùn)動的設(shè)備，運(yùn)動控制精度是nm級的。

物鏡：物鏡用來補(bǔ)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(bǔ)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)主要技術(shù)指標(biāo)

準(zhǔn)分子激光器掃描步進(jìn)投影光刻機(jī)最關(guān)鍵的三項技術(shù)指標(biāo)是：光刻分辨力（Resolu2tion）、套刻精度（Overlay）和產(chǎn)量（Produc2tivity）。

光刻分辨力的計算公式為：

CD=K1?λ/NA

式中λ為準(zhǔn)分子激光器輸出激光波長，K1為工藝系數(shù)因子，NA為投影光刻物鏡數(shù)值孔徑。從上式可以看出，提高光刻分辨力可以通過縮短激光波長、降低工藝系數(shù)因子K1和提高投影光刻物鏡數(shù)值孔徑NA等來實現(xiàn)。縮短激光波長將涉及到激光器、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、光學(xué)材料、光學(xué)鍍膜、光路污染以及曝光抗蝕劑等系列技術(shù)問題;低工藝系數(shù)因子K1值成像，只有當(dāng)掩模設(shè)計、照明條件和抗蝕劑工藝等同時達(dá)到最佳化才能實現(xiàn)，為此需要采用離軸照明、相移掩模、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正、光瞳濾波等系列技術(shù)措施;投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑則與激光波長及光譜帶寬、成像視場、光學(xué)設(shè)計和光學(xué)加工水平等因素有關(guān)。

套刻精度與光刻分辨力密切相關(guān)。如果要達(dá)到0.10μm的光刻分辨力，根據(jù)33%法則要求套刻精度不低于0.03μm。套刻精度主要與工件臺和掩模臺定位精度、光學(xué)對準(zhǔn)精度、同步掃描精度等因素有關(guān)，定位精度、對準(zhǔn)精度和同步掃描精度分別約為套刻精度的1/5～1/3，即0.006～0.01μm。提高生產(chǎn)效率是光刻機(jī)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必要條件。為了提高生產(chǎn)效率，必須優(yōu)化設(shè)計激光器輸出功率、重復(fù)頻率、曝光能量控制、同步掃描等各個技術(shù)環(huán)節(jié)，并采用先進(jìn)技術(shù)盡量減少換片、步進(jìn)和光學(xué)對準(zhǔn)等環(huán)節(jié)所需時間。

主流光刻機(jī)的基本構(gòu)造

光刻機(jī)的光源是核心， EUV是下一代光刻的利刃。光刻機(jī)使用的光源有幾項要求：

有適當(dāng)?shù)牟ㄩL（波長越短，曝光的特征尺寸就越小），同時有足夠的能量，并且均勻地分布在曝光區(qū)。

實現(xiàn)光刻進(jìn)步的直接方法，是降低使用光源的波長。早期的紫外光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），經(jīng)過濾光后使用其中的 g線（436 nm）或 i線（365 nm）。其后采用波長更短的深紫外光光源，是一種準(zhǔn)分子激光（Excimer laser），利用電子束激發(fā)惰性氣體和鹵素氣體結(jié)合形成的氣體分子，向基態(tài)躍遷時所產(chǎn)生激光，特色是方向性強(qiáng)、波長純度高、輸出功率大，例如 KrF （248 nm）、 ArF（193 nm）和 F2（157 nm）等。使用 193nmArF光源的干法光刻機(jī)，其光刻工藝節(jié)點可達(dá) 45nm，采用浸沒式與光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正等技術(shù)后，其極限光刻工藝節(jié)點可達(dá) 28nm。

主流光刻機(jī)的關(guān)鍵組成

首創(chuàng)雙工作臺，大幅提升生產(chǎn)效率。在 2000年前光刻設(shè)備，只有一個工作臺，晶圓片的對準(zhǔn)與蝕刻流程都在上面完成。公司在 2001年推出的 Twinscan雙工作臺系統(tǒng)，是行業(yè)的一大進(jìn)步，使得光刻機(jī)能在一個工作臺進(jìn)行曝光晶圓片，同時在另外一個工作臺進(jìn)行預(yù)對準(zhǔn)工作，并在第一時間得到結(jié)果反饋，生產(chǎn)效率提高大約 35%，精度提高 10%以上。雙工件臺系統(tǒng)雖然僅是加一個工作臺，但技術(shù)難度卻不容小覷，對工作臺轉(zhuǎn)移速度和精度有非常高的要求。阿斯麥的獨家磁懸浮工件臺系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能克服摩擦系數(shù)和阻尼系數(shù)，其加工速度和精度是超越機(jī)械式和氣浮式工件臺。

雙工作臺光刻設(shè)備的構(gòu)造示意圖

浸沒式光刻與二次曝光提升工藝能力，填補(bǔ) EUV問世前的演進(jìn)缺口。浸沒式光刻是指在鏡頭和硅片之間增加一層專用水或液體，光線浸沒在液體中曝光在硅晶片圓上;由于液體的折射率比空氣的折射率高，因此成像精度更高。從而獲得更好分辨率與更小曝光尺寸。

2002年業(yè)界提出了 193nm浸入式光刻的設(shè)備規(guī)劃，由于 193nm的光譜在水中的折射率高達(dá) 1.44（折射率越高，蝕刻精度也越好），等效波長縮短為 134nm，設(shè)備廠商只需對現(xiàn)有設(shè)備做較小的改造，就能將蝕刻精度提升 1-2個世代。阿斯麥?zhǔn)紫韧瞥?193nm的浸沒式設(shè)備，效果優(yōu)于 157nm光源的設(shè)備，成功將 90nm制程提升到 65nm，徹底打敗選擇干式蝕刻路線的尼康與佳能，是行業(yè)格局的重要轉(zhuǎn)折。

到了 2010年后，制程工藝尺寸進(jìn)化到 22nm，已經(jīng)超越浸沒式 DUV的蝕刻精度，于是行業(yè)開始導(dǎo)入兩次圖形曝光工藝，以間接方式來制作線路;即不直接曝光管線部分，而是先曝光出兩側(cè)管壁，間接形成線路區(qū)域。兩次曝光雖然能制作比光源精度更高的集成電路，但副作用是光刻次數(shù)與掩模數(shù)量大增，造成成本上升及生產(chǎn)周期延長，所以波長更短、精度更高的光源，才是提升制程能力的關(guān)鍵。對于使用浸沒式+兩次圖形曝光的 ArF光刻機(jī)，工藝節(jié)點的極限是 10nm。 EUV光刻機(jī)可望使工藝制程繼續(xù)延伸到 7nm與 5nm。

浸沒式光刻與二次圖形曝光示意圖

半導(dǎo)體行業(yè)目前最大的瓶頸，在于摩爾定律的實現(xiàn)成本越來越大，制程微縮不再伴隨晶體管單位成本同步下降。在從 32/28nm節(jié)點邁進(jìn) 22/20nm節(jié)點時，由于光刻精度不足，需使用二次曝光等技術(shù)來實現(xiàn)，設(shè)備與制作成本雙雙提高，晶體管的單位成本首次出現(xiàn)不降反升。

業(yè)界將希望寄托在極紫外光（EUV）微影技術(shù)，期望 EUV設(shè)備的高精度，能幫助廠商減少光刻的工序，提高 7nm以下的晶圓量產(chǎn)性。 2013年阿斯麥 EUV光刻設(shè)備研發(fā)成功，光源波長 22nm，技術(shù)逐步推進(jìn)， 2017年的設(shè)備已采用最小 13nmEUV作為光源，超短波長使 7nm以下特征尺寸曝光得以實現(xiàn)。隨著業(yè)界制程走向了 10nm以下，需要更高級的 EUV光刻系統(tǒng)，全球只有阿斯麥的 NXE系列能夠滿足需求。

先進(jìn)制程復(fù)雜度與 EUV設(shè)備效益

EUV工藝聚集了多個領(lǐng)域的頂尖技術(shù)。 EUV要具備量產(chǎn)性，有幾個技術(shù)瓶頸必須克服;首先在光源上。極紫外光的波長為 13.5nm，這種光容易被包括鏡頭玻璃內(nèi)的材料吸收，所以需要使用反射鏡來代替透鏡;普通打磨鏡面的反射率還不夠高，必須使用布拉格反射器（Bragg reflector，一種復(fù)式鏡面設(shè)計，可以將多層的反射集中成單一反射）。

此外，氣體也會吸收 EUV并影響折射率，所以腔體內(nèi)必須采用真空系統(tǒng)。為了解決 EUV的光源問題，2012年 10月，阿斯麥斥資 19.5億歐元，收購其關(guān)鍵的光學(xué)技術(shù)提供商 Cymer，加速極紫外光（EUV）相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。公司 2017年的 EUV設(shè)備 NXE 3400B，成功提高光源功率與精度，實現(xiàn)約 13納米的線寬，并且采用磁懸浮系統(tǒng)來加速掩模及工作臺，預(yù)期吞吐量可達(dá)每小時 125片晶圓，微影迭對（overlays）誤差容許度在 3納米以內(nèi)。

EUV光刻與反射式鏡頭示意圖

在以往 DUV時期，需要以多重光罩才能實現(xiàn)的 7nm制程，新型 EUV系統(tǒng)可望只要單一光罩步驟就可完成;但在 5nm或以下的制程，還會面臨多次圖形曝光的問題，仍需要提高下一代 EUV設(shè)備在光源以外的能力。為此，公司在 2016年以 11億美元收購光學(xué)大廠蔡司（CarlZeiss）的 24.9%股份，并承諾 8.4億美元的研發(fā)投入，聯(lián)手研發(fā)數(shù)值孔徑（numericalaperture， NA）高于 0.5的鏡頭。第二代 EUV微影預(yù)計要到 2024年后量產(chǎn)，屆時計劃實現(xiàn)約 8納米的線寬，每小時處理 185片晶圓，迭對誤差容許度小于 2納米。

阿斯麥此次大手筆投資蔡司進(jìn)行共同開發(fā)，顯示阿斯麥對于下一代 EUV設(shè)備的必勝決心。巨頭導(dǎo)入 EUV的進(jìn)程不一，設(shè)備需求能延續(xù) 3年以上。全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在進(jìn)入 7nm制程世代之后，可望是臺積電、三星電子、格羅方德三強(qiáng)對決局面。 2012年，三星和臺積電分別向阿斯麥注資 5億和 15億歐元，以加強(qiáng)與公司的戰(zhàn)略合作;

根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu) Anandtech所匯集的各家路線圖，臺積電是最快到達(dá) 7nm工藝制程的廠商。臺積電對外宣布，針對高速運(yùn)算市場，量身打造人工智能與數(shù)據(jù)分析專用的平臺，預(yù)估 2018年 H1就具備 7nm量產(chǎn)能力;緊接著在 2019年的第二代 7nm，導(dǎo)入阿斯麥的 EUV設(shè)備，并有望同年試產(chǎn) 5nm制程產(chǎn)品。其他廠家方面，三星則決定在 2018年第一代的 7nm就直接讓 EUV技術(shù)上線;格羅方德則承襲IBM技術(shù)自行研發(fā) 7納米，同樣預(yù)計 2018年下半年量產(chǎn)，但第一代是使用DUV，而導(dǎo)入 EUV需要到 2019年。 Intel則因成本考慮，要到 2021年才開始用 7nm工藝接替 10nm制程。

主要晶圓廠商的先進(jìn)制程路線

專注光刻擴(kuò)大技術(shù)優(yōu)勢，塑造剛性客戶需求

公司技術(shù)優(yōu)勢明顯，保持行業(yè)領(lǐng)先。公司在 2013年首次推出極紫外光設(shè)備 NXE 3300B，

但是精度與效率不具備 10nm以下制程的生產(chǎn)效益;直到 2016年后的 3400B，光學(xué)與機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)有所突破，極紫外光源的波長縮短至 13nm，每小時處理晶圓 125片，或每天可1500片;連續(xù) 4周的平均生產(chǎn)良率可達(dá) 80%，兼具高生產(chǎn)率與高精度。隨著芯片尺寸不斷縮小， EUV設(shè)備未形成行業(yè)剛需，目前全球一線的邏輯晶圓與存儲晶圓廠商，均采購阿斯麥 TWINSCAN機(jī)型，其中英特爾、三星、臺積電三大巨頭，紛紛入股阿斯麥，以謀求其高端光刻設(shè)備共同開發(fā)與優(yōu)先采購權(quán)。

EUV光刻機(jī)NXE3400B的構(gòu)造示意圖

由于公司的浸沒式 EUV光刻設(shè)備，能幫助客戶實行量產(chǎn) 7nm和 5nm的晶圓制程，并達(dá)到 2.5納米的迭對精度，未來出貨量可觀。 2017年上半年，公司售出 2臺 EUV設(shè)備， Q3單季度倍增到 4臺;預(yù)計 Q4還有 6臺交付，帶來 3億歐元單季收入，計劃 2018與 19年均可出售超過 20臺。

阿斯麥 EUV光刻設(shè)備 TWINSCAN NXE系列

整體而言，公司在 2017Q3單季營收 18億歐元，前三大產(chǎn)品線為ArF（63%）， EUV（21%）， KrF（10%）。 3D NAND客戶對于 KrF干式光刻系統(tǒng)的需求持續(xù)升高，目前相關(guān)設(shè)備的未出貨訂單已累積超過 20臺，顯示出公司由中端到高端的產(chǎn)品均居市場領(lǐng)導(dǎo)地位。