半導(dǎo)體芯片（也稱為集成電路，Integrated Circuit，IC）生產(chǎn)主要分為IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封測(cè)三大環(huán)節(jié)。IC設(shè)計(jì)主要根據(jù)芯片的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和規(guī)則制定，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作掩模以供后續(xù)光刻步驟使用。IC制造實(shí)現(xiàn)芯片電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)芯片功能，包括化學(xué)機(jī)械研磨、薄膜沉積、光刻、刻蝕、離子注入等步驟。IC封測(cè)完成對(duì)芯片的封裝和性能、功能測(cè)試，是產(chǎn)品交付前的最后工序。

光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于如何在硅片上制作出目標(biāo)電路圖樣，這一過(guò)程通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。一般芯片在生產(chǎn)中需要進(jìn)行20-30次的光刻，耗時(shí)占到IC生產(chǎn)環(huán)節(jié)的50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的1/3。

光刻的工作原理

在諸如硅片的基底表面覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠，再用特定光（一般是紫外光、深紫外光、極紫外光）透過(guò)包含目標(biāo)圖案信息的掩模版照射在基底表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)，因此，在顯影后被照到的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生與未被照到的區(qū)域不同的效果（具體情況依賴于光刻膠的性質(zhì)）。

光刻膠

為什么說(shuō)光刻機(jī)是人類智慧的集大成者?(二)

光刻膠是聚合物和一些化合物的混合物，在化合物中最重要的是一種光致酸產(chǎn)生劑（Photo Acid Generator, PAG）。當(dāng)光子打到PAG上，會(huì)產(chǎn)生一種酸，這種酸會(huì)與聚合物發(fā)生反應(yīng)，將聚合物分解，這樣聚合物就會(huì)被顯影液(developer)溶解。

光刻膠通常分為兩種，正膠和負(fù)膠。

正性光刻膠（正膠，positive photoresist）：曝光部分溶于顯影液，而未曝光部分不溶于顯影液，顯影后襯底上剩余的光刻膠圖形與掩膜板上的目標(biāo)圖形相同。

負(fù)性光刻膠（負(fù)膠，negative photoresist）：曝光部分不溶于顯影液，而未曝光部分溶于顯影液，顯影后襯底上剩余的光刻膠圖形與掩膜板上的目標(biāo)圖形為互補(bǔ)關(guān)系。

因此，對(duì)于正膠來(lái)說(shuō)，光刻完成后對(duì)沒(méi)有光刻膠保護(hù)的基底部分進(jìn)行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件在基底表面的一步構(gòu)建過(guò)程。

光刻機(jī)的分類

根據(jù)用途的不同，可以分為用于生產(chǎn)芯片、用于封裝和用于LED制造等。

根據(jù)光源的不同，可分為紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、極紫外光源（EUV），光源的波長(zhǎng)影響光刻機(jī)的工藝。

極紫外光刻機(jī)，選取了新的方案來(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)分子激光照射在錫滴液發(fā)生器上，激發(fā)出13.5nm的光子，作為光刻機(jī)光源。ASML（阿斯麥）目前其是全世界唯一一家能夠設(shè)計(jì)和制造EUV光刻機(jī)設(shè)備的廠商。

根據(jù)操作方式的不同?？煞譃榻佑|式光刻、直寫式光刻、投影式光刻。

接觸式光刻

接觸式光刻（Contact Printing）

掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來(lái)的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)備簡(jiǎn)單。根據(jù)施加力量的方式，接觸式又分為：軟接觸，硬接觸和真空接觸。

1a.軟接觸就是把基片通過(guò)托盤吸附?。愃朴趧蚰z機(jī)的基片放置方式），掩膜蓋在基片上面；

1b.硬接觸是將基片通過(guò)一個(gè)氣壓（氮?dú)猓?，往上頂，使之與掩膜板接觸；

1c.真空接觸是在掩膜板和基片中間抽氣，使它們更加好地貼合

特點(diǎn)：光刻膠污染掩膜板；掩膜板容易損壞，使用壽命很短（只能使用5～25次）；容易出現(xiàn)累積缺陷。

接近式光刻

接近式光刻（Proximity Printing）

掩膜板與光刻膠基底層保留一個(gè)微小的縫隙（Gap），大約為2.5～25μm?？梢杂行П苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷，使掩膜和光刻膠基底能耐久使用；掩膜壽命長(zhǎng)（可提高10倍以上），圖形缺陷少。接近式在現(xiàn)代光刻工藝中應(yīng)用最為廣泛。

投影式光刻

投影式光刻（Projection Printing）

類似于膠片攝影，通過(guò)按下“快門”，光線通過(guò)鏡頭投射到膠卷上并曝光。之后通過(guò)“洗照片”，即將膠卷在顯影液中浸泡，得到圖像。投影式光刻因其高效率、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，是集成電路主流光刻技術(shù)。

3a.掃描投影光刻（Scanning Project Printing）

70年代末～80年代初開(kāi)始研究。這種光刻機(jī)中掩膜版與圖案的大小是1:1，即掩膜版上的尺寸與光刻膠上的圖案尺寸相同。之所以稱之為掃描，是因?yàn)楣馐峭高^(guò)一條細(xì)長(zhǎng)的狹縫射在基底上，一般是一次曝光數(shù)行，基底需要挪動(dòng)位置，使光能將所有的區(qū)域都曝光。

特點(diǎn):工藝節(jié)點(diǎn)為180nm-130nm，掩膜板1:1，全尺寸曝光。

3b.步進(jìn)重復(fù)投影光刻（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）

80年代末～90年代開(kāi)始研究，使用透鏡系統(tǒng)將掩模上的圖案在小面積上逐個(gè)投影到基底上。每次曝光一個(gè)小區(qū)域后，基底會(huì)移動(dòng)到下一個(gè)位置，直到整個(gè)基片都被曝光。一個(gè)曝光區(qū)域就是一個(gè)“shot”。因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)透鏡系統(tǒng)投影，一般使用365nm紫外光時(shí)使用的是5倍版，即掩膜版上圖形尺寸是實(shí)際光刻膠上的尺寸的5倍，所以在掩膜板上可以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的圖形，但是增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。

3c.掃描步進(jìn)投影光刻（Scanning-Stepping Project Printing或稱作Scanner）

90年代末至今，在高端的半導(dǎo)體制造中一般會(huì)用到此種機(jī)型，用于≤0.18μm工藝。在曝光過(guò)程中，掩膜版在一個(gè)方向上移動(dòng)，同時(shí)晶圓在與其垂直的方向上同步移動(dòng)。

特點(diǎn)：增大了每次曝光的視場(chǎng)；提供硅片表面不平整的補(bǔ)償；提高整個(gè)硅片的尺寸均勻性。但是，同時(shí)因?yàn)樾枰聪蜻\(yùn)動(dòng)，增加了機(jī)械系統(tǒng)的精度要求，Scanner通常比其他曝光機(jī)具有更高的生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)和制造都非常復(fù)雜，Scanner的購(gòu)買和維護(hù)成本都很高。

高精度雙面光刻

主要用于中小規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體元器件、光電子器件、聲表面波器件、薄膜電路、電力電子器件的研制和生產(chǎn)。

雙面光刻機(jī)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)I/O處理控制單元。

高精度單面光刻

針對(duì)各大專院校、企業(yè)及科研單位，對(duì)光刻機(jī)使用特性研發(fā)的一種高精度光刻機(jī)，中小規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體元器件、光電子器件、聲表面波器件的研制和生產(chǎn)。

高精度對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)、雙目分離視場(chǎng)CCD顯微顯示系統(tǒng)、曝光頭、氣動(dòng)系統(tǒng)、真空管路系統(tǒng)、直聯(lián)式無(wú)油真空泵、防震工作臺(tái)和附件箱等組成。

解決非圓形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分離不開(kāi)所引起的版片無(wú)法對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題。

光刻機(jī)特性參數(shù)

最小特征尺寸

最小特征尺寸 (Critical Dimension, CD):

最小特征尺寸，也就是半周期(Half-Pitch)的尺寸，是衡量光刻機(jī)性能最重要的參數(shù)之一。

其中，是一個(gè)常數(shù)，在不同的光刻方案中不太一致，λ就是輸入光源的波長(zhǎng)，NA是光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。對(duì)于常數(shù)，目前荷蘭ASML公司的DUV光刻機(jī)最高是做到了0.25附近，而EUV大概還是在0.35附近。輸入光源的波長(zhǎng)越小，實(shí)際可以光刻的工藝也就越小。對(duì)于數(shù)值孔徑NA來(lái)說(shuō)，對(duì)于非浸潤(rùn)式DUV方案這個(gè)數(shù)值的上限一般是1.0，浸潤(rùn)式DUV方案則是1.35附近。相比于非浸潤(rùn)式，浸潤(rùn)式光刻機(jī)在光刻時(shí)額外使用了液體來(lái)進(jìn)行折射，一般所使用的都是純水，折射率約為1.33，這也是浸潤(rùn)式的NA要大一些的原因。

套刻精度

套刻精度（Overlay accuracy）:掩膜板mask）和基底（wafer）圖形的對(duì)準(zhǔn)精度。

基本含義是指前后兩道光刻工序之間彼此圖形的對(duì)準(zhǔn)精度，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。

曝光寬容度

曝光寬容度（Exposure Latitude）:曝光寬容度也被稱為曝光裕度，是工藝窗口的重要參數(shù)之一，光學(xué)曝光系統(tǒng)可以形成符合設(shè)計(jì)版圖要求的曝光能量范圍，通常使用曝光結(jié)果檢測(cè)的CD值的變化量在±10%范圍內(nèi)的曝光能量選擇范圍來(lái)定義。如果光刻膠在偏離最佳的曝光劑量的情況下，曝光圖形的線寬變化比較小，說(shuō)明該光刻膠有較大的曝光寬容度。通常曝光寬容度越大，顯影寬容度也越大。

曝光容忍度和投影圖像對(duì)比度緊密聯(lián)系。投影圖像的特征尺寸若具有較差的圖像對(duì)比度，將會(huì)對(duì)劑量變化過(guò)于敏感。

社會(huì)影響

2023年12月，光刻機(jī)入選2023年十大科技熱詞。

各國(guó)現(xiàn)狀

2024年5月?lián)股鐖?bào)道，俄羅斯首臺(tái)光刻機(jī)已經(jīng)制造完成并正在進(jìn)行測(cè)試。俄羅斯聯(lián)邦工業(yè)和貿(mào)易部副部長(zhǎng)Vasily Shpak表示，該設(shè)備可確保生產(chǎn)350納米工藝的芯片。