本文主要介紹光刻機(jī)的分類(lèi)與原理。

光刻機(jī)分類(lèi)

光刻機(jī)的分類(lèi)方式很多。按半導(dǎo)體制造工序分類(lèi)，光刻設(shè)備有前道和后道之分。前道光刻機(jī)包括芯片光刻機(jī)和面板光刻機(jī)。面板光刻機(jī)的工作原理和芯片光刻機(jī)相似，但是由于面板光刻機(jī)針對(duì)的是薄膜晶體管，芯片光刻機(jī)針對(duì)的是晶圓，面板光刻機(jī)精度要求遠(yuǎn)低于芯片光刻機(jī)，只要達(dá)到pm級(jí)別即可。后道光刻機(jī)則是單質(zhì)封裝光刻機(jī)，封裝光刻機(jī)的作用相較于前道光刻機(jī)來(lái)說(shuō)較小，所以其精度和價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上前道光刻機(jī)。光刻技術(shù)采用的光源類(lèi)別涵蓋紫外光刻（UV）、深紫外光刻（DUV）以及極紫外光刻（EUV）。光刻機(jī)的迭代往往伴隨著光源的革新，具體表現(xiàn)為光波波長(zhǎng)的持續(xù)縮減，因此，光源類(lèi)型常被用作界定光刻機(jī)世代的標(biāo)準(zhǔn)。至于光刻機(jī)當(dāng)前主流的劃分依據(jù)，則是依據(jù)其曝光機(jī)制，分為直寫(xiě)光刻、接近式接觸光刻、光學(xué)投影光刻及浸沒(méi)式光刻四大類(lèi)別。

a)直寫(xiě)式光刻b)接近接觸式光刻c)光學(xué)投影式光刻

如下圖所示，直寫(xiě)光刻是最基礎(chǔ)的光刻技術(shù)，其曝光范圍有限，因此主要應(yīng)用于掩模版的制造。接近接觸光刻則包含接觸與接近兩種模式：接觸式光刻機(jī)中，掩模版直接與光刻膠接觸，設(shè)備成本較低，分辨率通常高于0.5μm，但受限于光刻膠厚度，可能導(dǎo)致掩模版受損，污染物直接成像于硅片，引發(fā)硅片變形，進(jìn)而影響成像均勻性；而接近式光刻機(jī)中，掩模版與光刻膠保持微小間隙，同樣具備成本效益，且避免了掩模版直接接觸光刻膠導(dǎo)致的損傷，然而，接近式光刻會(huì)引發(fā)衍射效應(yīng)，降低圖像傳遞的精確度，其分辨率較接觸式低。光學(xué)投影光刻則是利用光學(xué)系統(tǒng)在掩模版與光刻膠間聚焦光線(xiàn)進(jìn)行曝光，顯著提升了分辨率。光學(xué)投影光刻機(jī)分為步進(jìn)-重復(fù)與步進(jìn)-掃描兩種類(lèi)型，它們以縮小比例的方式將掩模版圖像投影至硅片上。這種曝光技術(shù)不僅分辨率高，對(duì)掩模版損耗小，且對(duì)污染物敏感度低，但設(shè)備成本高昂，系統(tǒng)構(gòu)造極為復(fù)雜。

除此之外，隨著芯片制造技術(shù)不斷發(fā)展，又陸續(xù)發(fā)展出雙工作臺(tái)式光刻、浸沒(méi)式光刻等多種先進(jìn)的新型光刻技術(shù)，極大程度提高了光刻工藝效率和工藝精度。在硅片開(kāi)始光刻之前，必須經(jīng)過(guò)精確的測(cè)量和對(duì)準(zhǔn)流程。早期，光刻機(jī)僅設(shè)計(jì)有一個(gè)工作臺(tái)，負(fù)責(zé)從測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)直至光刻的完整作業(yè)流程。然而，隨著雙工作臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用，光刻機(jī)能夠在保持原有速度和加速度穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作臺(tái)的同時(shí)運(yùn)作：一個(gè)工作臺(tái)專(zhuān)注于曝光作業(yè)，而另一個(gè)則同步進(jìn)行曝光前的預(yù)對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)備。這一改進(jìn)將光刻機(jī)的生產(chǎn)效率提升了約35%。盡管從表面上看，僅僅是增加了一個(gè)工作臺(tái)，但背后的技術(shù)挑戰(zhàn)卻相當(dāng)艱巨。雙工作臺(tái)系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)切換的速度與精確度提出了嚴(yán)苛要求：切換速度若慢，會(huì)拖累光刻機(jī)整體效率；而切換精度不足，則可能干擾后續(xù)的掃描光刻等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)光刻機(jī)與光刻技術(shù)中，這樣的設(shè)計(jì)尚未普及。投影透量系統(tǒng)與光刻膠之間是折射率近似為t的空氣層，如上圖所示，與傳統(tǒng)的光刻機(jī)結(jié)構(gòu)不同，浸沒(méi)式光刻機(jī)在其投影物鏡系統(tǒng)未端（即最后一面投影物鏡的下表面）與基底的感光材料之間加入高折射率的液體，依照應(yīng)用光學(xué)理論；光在通過(guò)高折射率的液體層時(shí)其光波長(zhǎng)會(huì)相應(yīng)縮短，因此可以使得193nm的光源波長(zhǎng)折算等效為134nm，以一種巧妙的方式降低了光源的波長(zhǎng)，提高了光刻機(jī)的分辨精度。

光刻機(jī)原理

如前文所述，光刻機(jī)種類(lèi)繁多，不同種類(lèi)光刻機(jī)原理不同，由于目前主流光刻機(jī)是EUV類(lèi)型光刻機(jī)。如圖所示，EUV光刻機(jī)就是一個(gè)大的投影曝光系統(tǒng)，主要包括計(jì)算機(jī)控制臺(tái)、治源、橫片，光罩和基底等，在光刻機(jī)工作的過(guò)程中，由光源發(fā)射的激光光束會(huì)照射到帶有電路圖的掩模版和光學(xué)鏡片土，從而對(duì)帶有感光材料的基底進(jìn)行曝光，隨后用化學(xué)方法對(duì)曝光圖加以昂影，得到最終的圖形。光刻機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心組件包括光源系統(tǒng)和光校正系統(tǒng)。光源系統(tǒng)依賴(lài)于激光器作為激發(fā)裝置，以發(fā)射激光束；而光校正系統(tǒng)則通過(guò)物鏡來(lái)彌補(bǔ)光學(xué)偏差。通常，光刻機(jī)的光校正系統(tǒng)配備有15至20個(gè)直徑范圍在200至300毫米之間的透鏡，且每一個(gè)鏡片的精度要求極高，這也是光刻機(jī)成本極高的主要原因之一凹。下圖所示為光刻機(jī)簡(jiǎn)易工作原理圖，接下來(lái)詳細(xì)闡述一下光刻機(jī)中各個(gè)部分的作用。

光刻機(jī)外觀(guān)圖

光刻機(jī)簡(jiǎn)易工作原理圖

首先光刻機(jī)中有兩個(gè)平臺(tái)，分別是測(cè)量臺(tái)和曝光臺(tái)，二者雖然都起著承載基底硅片的作用，但是前者主要進(jìn)行測(cè)量，后者主要進(jìn)行曝光。內(nèi)部封閉框架和減振器屬于光刻機(jī)外圍裝置，主要作用包括保持工作臺(tái)的封閉性和水平性、避兔外部機(jī)械振動(dòng)的干擾以及維持相對(duì)穩(wěn)定的溫度激勵(lì)。激光器的作用是產(chǎn)生具有良好相干性的激光光源，如前文所述，光源作為光刻機(jī)的關(guān)鍵組件，其波長(zhǎng)直接決定了光刻機(jī)的工藝水平。如下表所示，早期的光刻技術(shù)采用汞燈作為紫外光源，經(jīng)歷了從g線(xiàn)到i線(xiàn)的逐步發(fā)展，波長(zhǎng)從436納米縮短至365納米，從而達(dá)到了200納米以上的分辨率水平。跨入21世紀(jì)后，光刻行業(yè)引入了準(zhǔn)分子激光激發(fā)的深紫外光源，波長(zhǎng)進(jìn)一步縮減到ArF的193納米，再次顯著提高了光刻效率，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了光源在光刻技術(shù)中的關(guān)鍵作用。

各光刻機(jī)光源的參數(shù)

光束校正裝置的主要功能是調(diào)整光束入射方向，確保激光束盡可能平行入射。能量調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)控制照射至硅片上的光能量，避免曝光不足或過(guò)度導(dǎo)致的成像質(zhì)量下降。光束整形裝置能夠根據(jù)需要，將光束調(diào)整為圓形、環(huán)形等形狀，以改變光的特性。遮光裝置則用于在不需要曝光時(shí)阻擋光束，防止其照射到硅片上。能量監(jiān)測(cè)器負(fù)責(zé)檢測(cè)光束的最終入射能量是否符合曝光標(biāo)準(zhǔn)，并向能量調(diào)節(jié)器提供反饋進(jìn)行調(diào)整。

掩模版是一塊刻有電路設(shè)計(jì)圖的玻璃板，其價(jià)格通常高達(dá)數(shù)十萬(wàn)元。掩模版由掩模臺(tái)支撐，掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制精度可達(dá)納米級(jí)。下方的物鏡用于補(bǔ)償光學(xué)誤差，并將電路圖按光學(xué)系統(tǒng)特性等比例縮小。硅片基底是由硅晶制成的圓形基片，尺寸多樣，且尺寸越大，生產(chǎn)效率越高。根據(jù)硅片上缺口形狀的不同，硅片通常分為flat型和notch型兩種。