1、光刻機(jī)發(fā)展歷程

集成電路（Integrated Circuit，IC）是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心與基石，IC的發(fā)展始終遵循著Intel創(chuàng)始人之一——戈登·摩爾（Gordon Moore）提出的摩爾定律：價(jià)格不變時(shí)，約每隔 18-24個(gè)月集成度增多一倍，性能亦隨之提高一倍。

下圖為全世界半導(dǎo)體晶圓代工技術(shù)藍(lán)圖：

光刻機(jī)是IC制造裝備中最核心亦是技術(shù)難度最大的裝備，它已然從接觸式、接近式等發(fā)展到日前主流的步進(jìn)掃描式。

日前，光刻機(jī)國際市場基本被三大巨擘ASML、Nikon與Canon瓜分，而近年來高端光刻機(jī)市場已基本被ASML壟斷。

國內(nèi)從事光刻機(jī)關(guān)聯(lián)技術(shù)科研的單位重點(diǎn)有上海微電子裝備有限機(jī)構(gòu)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精細(xì)機(jī)械與理學(xué)科研所、中國科學(xué)院光電技術(shù)科研所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等。與國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)光刻機(jī)的整體開發(fā)及制造水平還存在差距。

光刻機(jī)的發(fā)展是伴同著工作波長的減少進(jìn)行的。最早的光源是紫外光源（UV，Ultra-Violet），由汞燈產(chǎn)生波長436nm的g-line激光、405nm的h-line激光與波長365nm的i-line激光。

之后的光源為深紫外光源（DUV，Deep Ultra-Violet），激光為準(zhǔn)分子激光（波長248nm的 KrF、波長193nm的ArF）。在深紫外光刻機(jī)中加入浸沒式技術(shù)，可增多數(shù)值孔徑并加強(qiáng)分辨率。

為了減小集成電路的特征尺寸，進(jìn)一步發(fā)展集成電路技術(shù)，科研者提出了極紫外（EUV， Extreme Ultra-Violet）光刻機(jī)技術(shù)。

1997年，美國的極紫外線有限責(zé)任機(jī)構(gòu)（EUVLLC）聯(lián)盟起始著手EUV光刻技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化科研。該技術(shù)采用波長為13.5 nm的極紫外光做為工作激光進(jìn)行投影光刻。

日前EUV光刻技術(shù)為ASML獨(dú)有，已進(jìn)入大批量生產(chǎn)，準(zhǔn)許在7 nm及少于7nm節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行更簡單、更具成本效益的生產(chǎn)。

EUV光刻機(jī)中波長為13.5 nm的激光極易被空氣吸收。為了保準(zhǔn)激光的傳播與光源的工作功率，EUV光刻機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)采用反射式結(jié)構(gòu)，并且全部光學(xué)系統(tǒng)置于真空環(huán)境中。光刻機(jī)的整體環(huán)境的改變?yōu)楣饪虣C(jī)的零部件設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。

2、光刻機(jī)的構(gòu)成部分

光刻機(jī)重點(diǎn)由光源、光路系統(tǒng)及物鏡、雙工件臺(tái)、測繪系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中，晶圓模組部分重點(diǎn)負(fù)責(zé)揭發(fā)前晶片的測 量與參數(shù)錄入，照明光學(xué)模組部分完成晶圓的揭發(fā)。

在晶圓模組部分：晶圓傳送模組中，由機(jī)械手臂負(fù)責(zé)將晶圓由光阻涂布機(jī)傳送到晶圓平臺(tái)模組。而晶圓雙平臺(tái)模組負(fù)責(zé)在一片晶圓揭發(fā)的同期，將待揭發(fā)晶圓進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)，隨后對(duì)其表面高低起伏的程度進(jìn)行測繪，并將關(guān)聯(lián)坐標(biāo)錄入計(jì)算機(jī)。由此，在不到0.15秒的單位揭發(fā)時(shí)間內(nèi)，硅片承載臺(tái)能夠精細(xì)快速移動(dòng)以達(dá)到最好的揭發(fā)效果。

在照明光學(xué)模組部分：紫外光從光源模組生成后，被導(dǎo)入到照明模組，并經(jīng)過糾正、能量掌控器、光束成型安裝等后進(jìn)入光掩膜臺(tái)，隨后經(jīng)過物鏡賠償光學(xué)誤差，最后將線路圖揭發(fā)在已測繪對(duì)準(zhǔn)的晶圓上。

3、光刻機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)

光刻機(jī)中重要的性能參數(shù)重點(diǎn)有：分辨率、焦深、套刻精度、產(chǎn)率、視場、MTF（調(diào)控傳遞函數(shù)）、掩膜版誤差因子等。而核心參數(shù)為分辨率、焦深和套刻精度。

其中，分辨率與光刻機(jī)的最小精度關(guān)聯(lián)聯(lián)，焦深對(duì)光刻機(jī)影像范圍有影響，套刻精度則決定了工藝層是不是套疊對(duì)準(zhǔn)。因此呢，這三個(gè)技術(shù)指標(biāo)被視為光刻機(jī)最重要的三個(gè)原因。

現(xiàn)如今，光刻機(jī)重點(diǎn)分為EUV光刻系統(tǒng)和DUV光刻系統(tǒng)兩大類，其分辨率分別已然達(dá)到了13nm和38nm，套刻精度分別達(dá)到了1.1nm和1.3nm。

ASML的NXT 3600D光刻機(jī)已然實(shí)現(xiàn)了160wph的產(chǎn)率，最佳套刻精度乃至達(dá)到了1.1nm，分辨率達(dá)到13nm。同期，NXT 2100i相較于NXT2050i在套刻精度方面亦有了20％的提高，能夠用來生產(chǎn)最先進(jìn)的3nm芯片。而ASML計(jì)劃即將發(fā)行的NXE 3800E，套刻精度達(dá)到了0.9nm，產(chǎn)率亦實(shí)現(xiàn)了從160wph到220wph的跨越。

(1)分辨率

分辨率即光刻系統(tǒng)能清晰投影最小圖像的能力。

分辨率數(shù)值越小，光刻機(jī)性能越佳。分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑以及光刻工藝參數(shù)決定。

按照瑞利準(zhǔn)則，分辨率與數(shù)值孔徑成反比，與光源波長和工藝參數(shù)成正比。其中，數(shù)值孔徑衡量系統(tǒng)所能收集光的方向范圍（計(jì)算公式為NA=n*sinα，n為介質(zhì)折射率，α為孔徑角的一半），是物鏡光軸上點(diǎn)與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的方向，孔徑角越大，透鏡的光通量越大。

瑞利準(zhǔn)則：透鏡系統(tǒng)的分辨率極限。因?yàn)?/span>光擁有衍射特性，一個(gè)無限小的點(diǎn)在影像后會(huì)變成一個(gè)彌散光斑，叫作為“艾里斑”，因此呢實(shí)質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)影像的分辨率即兩個(gè)艾里斑恰好能夠區(qū)掰開的距離。

分辨率改進(jìn)辦法：1)增大數(shù)值孔徑；2) 縮短揭發(fā)波長；3) 縮小光刻工藝參數(shù)。

焦深即光刻機(jī)能夠清晰影像的范圍。依據(jù)瑞利判據(jù)，焦深與波長成正比關(guān)系，與數(shù)值孔徑成反比。其中，ASML機(jī)構(gòu)2023年首臺(tái)High-NA EUV 光刻機(jī)的NA從0.33提高至0.55，焦深隨之縮小至40nm，對(duì)聚焦準(zhǔn)確性的需求亦隨之加強(qiáng)。同期，焦深還受到數(shù)值孔徑、波長、光刻膠厚度、 類型以及晶圓表面平整度等原因影響。

(2)套刻精度

套刻精度指的是光刻工藝中，每一層電路圖圖形間（即當(dāng)前層對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相針對(duì)前一層標(biāo)記）的疊對(duì)精度。IC芯片的制造需要在晶圓表面壘加工藝層，且每層揭發(fā)圖形必須保準(zhǔn)必定精度的套疊對(duì)準(zhǔn)，以保準(zhǔn)芯片的正常功能。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，圖形的關(guān)鍵尺寸持續(xù)減小，對(duì)套刻精度的需求亦越來越高。通常的，每層揭發(fā)圖形之間的套刻精度需掌控在硅片尺寸的25％～30％。

揭發(fā)過程中的套刻流程：硅片揭發(fā)需要先制作對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，以便于工藝層之間的圖形對(duì)準(zhǔn)，在進(jìn)行套刻參數(shù)補(bǔ)值后，再揭發(fā)當(dāng)層圖案并制作對(duì)準(zhǔn)暗號(hào)，最后進(jìn)行外觀、套刻精度與線寬的測繪。

光刻機(jī)套刻精度直接受工件臺(tái)定位精度的影響，而工件臺(tái)定位精度又受到工件臺(tái)位置測繪精度的制約，定位誤差在誤差分配中一般占總套刻誤差的非常之一，即針對(duì)“14nm”節(jié)點(diǎn)，定位精度應(yīng)優(yōu)于0.57nm。位置測繪的精度直接決定了多次光刻間的相互重合誤差，因此呢超精細(xì)位移測繪系統(tǒng)是光刻機(jī)不可或缺的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。

(四)光刻機(jī)工件臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理

下圖為ASML步進(jìn)掃描式光刻機(jī)（TWINSCAN系列）的結(jié)構(gòu)示意圖，它重點(diǎn)由光學(xué)投影物鏡系統(tǒng)、工件臺(tái)系統(tǒng)和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，工件臺(tái)系統(tǒng)包含掩模臺(tái)和硅片臺(tái)，是完成硅片揭發(fā)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。

掩模臺(tái)和硅片臺(tái)分別部署在基座的上下兩層。

如下圖所示，掩模臺(tái)上承載掩模板，硅片臺(tái)上承載待揭發(fā)的硅片。光源發(fā)出的光束經(jīng)整形、勻光等處理后透射到掩模板上。在掃描揭發(fā)過程中，掩模臺(tái)與硅片臺(tái)在掃描方向上作精確地同步運(yùn)動(dòng)，從而將掩模板上的圖像以4:1的比例投影到硅片的揭發(fā)視場內(nèi)。之后，硅片臺(tái)作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)將下一視場運(yùn)動(dòng)到揭發(fā)區(qū)，如此循環(huán)地完成硅片上所有視場的揭發(fā)。

工件臺(tái)的軌跡跟蹤性能是保準(zhǔn)光刻機(jī)產(chǎn)率和分辨率的關(guān)鍵。

為了在大行程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高加速、高速及高精度的運(yùn)動(dòng)，光刻機(jī)工件臺(tái)廣泛采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。

其中，粗動(dòng)臺(tái)完成大行程、微米級(jí)精度運(yùn)動(dòng)；小行程的微（精）動(dòng)臺(tái)疊加在粗動(dòng)臺(tái)上，用于賠償粗動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差，最后實(shí)現(xiàn)納米級(jí)運(yùn)動(dòng)精度。

下圖是ASML TWINSCAN XT系列光刻機(jī)硅片臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖，由三個(gè)直線電公司成H型粗動(dòng)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)x-y平面大行程粗動(dòng)；微動(dòng)臺(tái)由若干音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用激光干涉儀作位移反饋，實(shí)現(xiàn)六自由度微動(dòng)。

下圖是ASML TWINSCAN NXT系列光刻機(jī)硅片臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖，粗動(dòng)臺(tái)由磁懸浮平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)，省去了從直線運(yùn)動(dòng)到平面運(yùn)動(dòng)的中間轉(zhuǎn)換安裝，擁有動(dòng)態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)；微動(dòng)臺(tái)依然由若干音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但采用平面光柵作位移反饋。與激光干涉儀相比，平面光柵受氣壓、溫度、濕度等環(huán)境原因的影響較小，且結(jié)構(gòu)更為緊湊。因此呢，相比于XT系列，NXT系列光刻機(jī)可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)率和分辨率。

(五)雙工件臺(tái)的運(yùn)行原理

傳統(tǒng)的光刻機(jī)工件臺(tái)系統(tǒng)僅包括一個(gè)掩模臺(tái)和一個(gè)硅片臺(tái)，硅片的上片、形貌測繪、掃描揭發(fā)、下片等工序依次完成。為了加強(qiáng)光刻機(jī)的產(chǎn)率，ASML于2000年首次提出了雙硅片臺(tái)技術(shù)，并將其成功應(yīng)用于TWINSCAN系列光刻機(jī)中。雙硅片臺(tái)技術(shù)將硅片的以上工序分離成兩個(gè)并行處理的部分，一個(gè)硅片臺(tái)在測繪位進(jìn)行硅片的上下片、形貌測繪等準(zhǔn)備工作，同期另一硅片臺(tái)在揭發(fā)位進(jìn)行硅片的掃描揭發(fā)，待完成后兩硅片臺(tái)交換位置與職能，如此循環(huán)地實(shí)現(xiàn)硅片的有效揭發(fā)。

光刻機(jī)晶圓臺(tái)是磁懸浮運(yùn)動(dòng)的，其運(yùn)動(dòng)由三個(gè)平面運(yùn)動(dòng)自由度XYZ和三個(gè)旋轉(zhuǎn)載由度構(gòu)成，因此呢測繪系統(tǒng)需對(duì)其完成六自由度的位移測繪。日前，雙頻激光干涉儀和二維光柵尺是當(dāng)前最為常用的兩種測繪六自由度位移的高精度測繪辦法。

下圖是國內(nèi)自主開發(fā)的超精細(xì)硅片臺(tái)采用粗精疊層結(jié)構(gòu)。粗動(dòng)臺(tái)以三路激光尺作位移反饋，微動(dòng)臺(tái)以分辨率為0.6 nm的九軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，并經(jīng)過電渦流傳感器測繪微動(dòng)臺(tái)與粗動(dòng)臺(tái)之間的相對(duì)位移。硅片臺(tái)采用獨(dú)立掌控模式，即微動(dòng)臺(tái)、粗動(dòng)臺(tái)相互獨(dú)立地跟蹤相同的參考軌跡。

下圖為清華大學(xué)IC裝備科研室最新自主開發(fā)的光刻機(jī)雙硅片臺(tái)，氣浮粗動(dòng)臺(tái)由平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)，磁浮微動(dòng)臺(tái)由若干音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)并經(jīng)過9軸雙頻激光干涉儀作位移反饋，在國內(nèi)處在領(lǐng)先水平。

(六)雙工件臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)

(1)對(duì)準(zhǔn)精度高。

芯片制造中圖形的揭發(fā)需多層疊加，掩膜揭發(fā)的圖形必須和前一層掩膜揭發(fā)準(zhǔn)確套疊在一塊，疊加的誤差即為套刻精度，需求為2nm以下。硅片上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的數(shù)目越多，對(duì)準(zhǔn)精度越低。

(2)運(yùn)動(dòng)速度快。

當(dāng)前ASML最先進(jìn)的DUV光刻機(jī)產(chǎn)率高達(dá)300wph，0.1秒完成1個(gè)影像單元的揭發(fā)影像，這需求晶圓平臺(tái)以高達(dá)7g的加速度高速移動(dòng)。

(3)運(yùn)作穩(wěn)定。

雙工件臺(tái)頻繁的位置互換，對(duì)加減速防震、精確定位及減少磨損等需求極 高，同期需保持長期的高速運(yùn)作。

隨著工件臺(tái)的尺寸及推重比持續(xù)增大，其動(dòng)力學(xué)特性愈來愈繁雜：模型階次更高、高頻段的不確定性更大，從而引起建模誤差很強(qiáng)。工件臺(tái)需要在高加速、高速的狀況下實(shí)現(xiàn)納米級(jí)軌跡跟蹤精度及毫秒級(jí)創(chuàng)立時(shí)間。雖然關(guān)聯(lián)技術(shù)很難，隨著我國技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，高端光刻機(jī)關(guān)聯(lián)技術(shù)亦將逐步被解決！

關(guān)于光刻機(jī)結(jié)構(gòu)及工件臺(tái)的內(nèi)容就介紹到這兒，歡迎各位朋友點(diǎn)贊！

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