半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)主要分為 IC 設(shè)計、 IC 制造、 IC 封測三大環(huán)節(jié)。 IC 設(shè)計主要根據(jù)芯片的設(shè)計目的進(jìn)行邏輯設(shè)計和規(guī)則制定，并根據(jù)設(shè)計圖制作掩模以供后續(xù)光刻步驟使用。 IC 制造實現(xiàn)芯片電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，并實現(xiàn)預(yù)定的芯片功能，包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械研磨等步驟。 IC 封測完成對芯片的封裝和性能、功能測試，是產(chǎn)品交付前的最后工序。

芯片制造核心工藝主要設(shè)備全景圖

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，耗時長、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點和關(guān)鍵點在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實現(xiàn)， 光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生產(chǎn)中需要進(jìn)行 20-30 次的光刻，耗時占到 IC 生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的 1/3。

光刻工藝流程詳解

光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線（一般是紫外光、深紫外光、極紫外光）透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發(fā)生反應(yīng)。此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠， 就實現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。

光刻完成后對沒有光刻膠保護(hù)的硅片部分進(jìn)行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠， 就實現(xiàn)了半導(dǎo)體器件在硅片表面的構(gòu)建過程。

光刻分為正性光刻和負(fù)性光刻兩種基本工藝，區(qū)別在于兩者使用的光刻膠的類型不同。負(fù)性光刻使用的光刻膠在曝光后會因為交聯(lián)而變得不可溶解，并會硬化，不會被溶劑洗掉，從而該部分硅片不會在后續(xù)流程中被腐蝕掉，負(fù)性光刻光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

在硅片表面構(gòu)建半導(dǎo)體器件的過程

正性光刻與負(fù)性光刻相反，曝光部分的光刻膠會被破壞從而被溶劑洗掉，該部分的硅片沒有光刻膠保護(hù)會被腐蝕掉，正性光刻光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。

正性光刻與負(fù)性光刻對比

1）氣相成底膜

硅片在清洗、烘培后首先通過浸泡、噴霧或化學(xué)氣相沉積（CVD）等工藝用六甲基二胺烷成底膜，底膜使硅片表面疏離水分子，同時增強(qiáng)對光刻膠的結(jié)合力。底膜的本質(zhì)是作為硅片和光刻膠的連接劑，與這些材料具有化學(xué)相容性。

2）旋轉(zhuǎn)涂膠

旋轉(zhuǎn)涂膠步驟

形成底膜后，要在硅片表面均勻覆蓋光刻膠。此時硅片被放置在真空吸盤上，吸盤底部與轉(zhuǎn)動電機(jī)相連。當(dāng)硅片靜止或旋轉(zhuǎn)的非常緩慢時，光刻膠被分滴在硅片上。隨后加速硅片旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速，光刻膠借助離心作用伸展到整個硅片表面，并持續(xù)旋轉(zhuǎn)甩去多余的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層，旋轉(zhuǎn)一直到溶劑揮發(fā)，光刻膠膜幾乎干燥后停止。

涂膠設(shè)備

3）軟烘

涂完光刻膠后，需對硅片進(jìn)行軟烘，除去光刻膠中殘余的溶劑，提高光刻膠的粘附性和均勻性。未經(jīng)軟烘的光刻膠易發(fā)粘并受顆粒污染，粘附力會不足，還會因溶劑含量過高導(dǎo)致顯影時存在溶解差異，難以區(qū)分曝光和未曝光的光刻膠。

4）曝光

曝光過程是在硅片表面和石英掩模對準(zhǔn)并聚焦后，使用紫外光照射，未受掩模遮擋部分的光刻膠發(fā)生曝光反應(yīng)，實現(xiàn)電路圖從掩模到硅片上的轉(zhuǎn)移。

5）顯影

光刻原理圖

使用化學(xué)顯影液溶解由曝光造成的光刻膠可溶解區(qū)域， 使可見圖形出現(xiàn)在硅片上，并區(qū)分需要刻蝕的區(qū)域和受光刻膠保護(hù)的區(qū)域。顯影完成后通過旋轉(zhuǎn)甩掉多余顯影液，并用高純水清洗后甩干。

顯影過程示意圖

6）堅膜

顯影后的熱烘叫做堅膜烘培，溫度比軟烘更高，目的是蒸發(fā)掉剩余的溶劑使光刻膠變硬，提高光刻膠對硅片表面的粘附性，這一步對光刻膠的穩(wěn)固，對后續(xù)的刻蝕等過程非常關(guān)鍵。

7）檢測

對硅片的顯影結(jié)果進(jìn)行檢測，合格的硅片進(jìn)入后續(xù)的刻蝕等流程，不合格的硅片在清洗后進(jìn)入最初流程。

8）刻蝕

刻蝕是通過化學(xué)或物理的方法有選擇地從硅片表面除去不需要材料的過程，通過刻蝕能在硅片上構(gòu)建預(yù)想的電子器件。

干法（物理）、濕法（化學(xué)）刻蝕原理示意圖

刻蝕分為干法刻蝕和濕法刻蝕兩種。干法刻蝕是將硅片表面暴露在惰性氣體中，通過氣體產(chǎn)生的等離子體轟擊光刻膠開出的窗口，與硅片發(fā)生反應(yīng)去掉暴露的表面材料，是亞微米尺寸下刻蝕器件的最主要方法。濕法刻蝕使用液態(tài)化學(xué)劑（酸、堿、有機(jī)溶劑等）用化學(xué)方式去

除硅片表面的材料，一般只用于尺寸較大的情況。

9）去膠

刻蝕完成后，通過特定溶劑，洗去硅片表面殘余的光刻膠。

光刻機(jī)： 半導(dǎo)體制造業(yè)皇冠上的明珠

光刻機(jī)根據(jù)應(yīng)用工序不同，可以分為用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)，以及用于封裝的光刻機(jī)，其中封裝光刻機(jī)對于光刻精度和控制精度的要求都比制造用光刻機(jī)低很多，價值量也相對較低，本文主要討論用于芯片制造領(lǐng)域的光刻機(jī)。

光刻機(jī)是芯片制造中光刻環(huán)節(jié)的核心設(shè)備， 技術(shù)含量、價值含量極高。 光刻機(jī)涉及系統(tǒng)集成、精密光學(xué)、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多項先進(jìn)技術(shù)，是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，因此也具備極高的單臺價值量，目前世界上最先進(jìn)的 ASML EUV光刻機(jī)單價達(dá)到近一億歐元，可滿足 7nm 制程芯片的生產(chǎn)。

光刻機(jī)工作原理：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。 不同光刻機(jī)的成像比例不同，有 5:1，也有 4:1。 光刻機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 9 所示。

光刻機(jī)工作原理圖

光刻機(jī)的內(nèi)部組件如下：

激光器：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：承載掩模版運動的設(shè)備，運動控制精度達(dá)到納米級。

物鏡：物鏡由 20 多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計難度大，精度的要求高。

量臺、曝光臺： 承載硅片的工作臺， 一般的光刻機(jī)需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，ASML 的雙工作臺光刻機(jī)則可以實現(xiàn)一片硅片曝光同時另一片硅片進(jìn)行測量和對準(zhǔn)工作，能有效提升工作效率。

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。

光刻機(jī)的發(fā)展，本質(zhì)上是為了滿足更高性能、更低成本芯片的生產(chǎn)需求。

半導(dǎo)體芯片具有不同的制程，即不同的技術(shù)節(jié)點，經(jīng)常看到的45nm、 28nm、 10nm 等字樣即是對不同制程的描述，那么不同的制程該如何理解，不同制程的芯片又有何差異呢？

這要從集成電路的最基本單元——晶體管說起，用半導(dǎo)體制造晶體管是利用其特殊的導(dǎo)電能力來傳遞 0 或 1 的數(shù)字信號。

晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，在柵區(qū)不通電的情況下，源區(qū)信號很難穿過不導(dǎo)電的 P 型襯底到達(dá)漏區(qū)，即表示電路關(guān)閉（數(shù)字信號 0），如果在柵區(qū)和襯底間加上電壓，襯底中的電荷就會在異性相吸的作用下在絕緣氧化層下大量聚集，形成一條細(xì)窄的導(dǎo)電區(qū)，使得源區(qū)和漏區(qū)導(dǎo)通，電流就可以順利從源區(qū)傳遞到漏區(qū)（信號 1），這就是晶體管最基本的工作原理。 而柵極下方兩個 N—阱間的距離，即導(dǎo)電溝道的長度，被定義為晶體管的尺寸。

晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代晶體管中，電子的速度是有限的，且一般以飽和速度運行，因此信息傳遞的速度就由導(dǎo)電溝道的長度來決定， 溝道越短，信息傳遞速度越快

芯片的制程可以近似理解為內(nèi)部晶體管導(dǎo)電溝道的長度，制程小的芯片具有兩大優(yōu)勢：

處理速度快。小制程芯片內(nèi)部晶體管導(dǎo)電溝道短，信號傳遞速度快，單位時間內(nèi)芯片能處理更多的信息，時鐘頻率更高。單位面積性能提升，成本降低。更小的晶體管尺寸意味著單位面積芯片可以制造更多的晶體管，芯片集成度得到提升，即增加了芯片的功能，又使單位芯片的成本得到降低。光刻工藝水平?jīng)Q定了晶體管尺寸的大小，因此芯片制程的不斷縮小必然伴隨著光刻機(jī)產(chǎn)品的不斷升級和創(chuàng)新，從本質(zhì)上說，正是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對更高性能、更低成本芯片的不斷追求推動了光刻機(jī)設(shè)備的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

光刻機(jī)是延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵。摩爾定律提出， 當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。半導(dǎo)體行業(yè)最初三十年的發(fā)展能夠基本滿足摩爾定律， 關(guān)鍵就在于光刻機(jī)能不斷實現(xiàn)更小的分辨率水平。近十年來摩爾定律的時間間隔已經(jīng)延長至 3-4 年，原因就在于光刻機(jī)的發(fā)展低于行業(yè)的預(yù)期

光刻機(jī)發(fā)展史：光源改進(jìn)+工藝創(chuàng)新推動光刻機(jī)更新?lián)Q代

光刻機(jī)的最小分辨率、生產(chǎn)效率、良率均在不斷發(fā)展。 光刻機(jī)的最小分辨率由公示 R=kλ/NA，其中 R 代表可分辨的最小尺寸，對于光刻技術(shù)來說， R 越小越好； k 是工藝常數(shù)； λ 是光刻機(jī)所用光源的波長； NA 代表物鏡數(shù)值孔徑，與光傳播介質(zhì)的折射率相關(guān)，折射率越大， NA 越大。光刻機(jī)制程工藝水平的發(fā)展均遵循以上公式。此外，光刻機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造和工作模式也在發(fā)展，不斷提升芯片的生產(chǎn)效率和良率。

根據(jù)所使用的光源的改進(jìn)，光刻機(jī)經(jīng)歷了 5 代產(chǎn)品的發(fā)展，每次光源的改進(jìn)都顯著提升了光刻機(jī)所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。此外雙工作臺、沉浸式光刻等新型光刻技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展也在不斷提升光刻機(jī)的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率和良率。

按所用光源，光刻機(jī)經(jīng)歷了五代產(chǎn)品的發(fā)展

最初的兩代光刻機(jī)采用汞燈產(chǎn)生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源，可以滿足0.8-0.35 微米制程芯片的生產(chǎn)。最早的光刻機(jī)采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進(jìn)行光刻，容易產(chǎn)生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機(jī)對接觸式光刻機(jī)進(jìn)行了改良， 通過氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細(xì)小空隙，掩模與硅片不再直接接觸，但受氣墊影響，成像的精度不高。

第三代光刻機(jī)采用 248nm 的 KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點提升至350-180nm 水平，在光刻工藝上也采用了掃描投影式光刻，即現(xiàn)在光刻機(jī)通用的，光源通過掩模， 經(jīng)光學(xué)鏡頭調(diào)整和補償后， 以掃描的方式在硅片上實現(xiàn)曝光。

第四代 ArF 光刻機(jī)：最具代表性的光刻機(jī)產(chǎn)品。第四代光刻機(jī)的光源采用了 193nm 的 ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光，將最小制程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機(jī)是目前使用最廣的光刻機(jī)，也是最具有代表性的一代光刻機(jī)。由于能夠取代 ArF 實現(xiàn)更低制程的光刻機(jī)遲遲無法研發(fā)成功，光刻機(jī)生產(chǎn)商在 ArF 光刻機(jī)上進(jìn)行了大量的工藝創(chuàng)新，來滿足更小制程和更高效率的生產(chǎn)需要。

創(chuàng)新一：實現(xiàn)步進(jìn)式掃描投影。 此前的掃描投影式光刻機(jī)在光刻時硅片處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過掩模的移動實現(xiàn)硅片不同區(qū)域的曝光。 1986 年 ASML 首先推出步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)，實現(xiàn)了光刻過程中，掩模和硅片的同步移動， 并且采用了縮小投影鏡頭，縮小比例達(dá)到 5： 1， 有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，將芯片的制程和生產(chǎn)效率提升了一個臺階。

步進(jìn)式投影示意圖

創(chuàng)新二：雙工作臺光刻機(jī)。硅片在進(jìn)入光刻流程前要先進(jìn)行測量和對準(zhǔn)，過去光刻機(jī)只有一個工作臺，測量、對準(zhǔn)、光刻等所有流程都在這一個工作臺上完成。 2001 年 ASML 推出了雙工作臺系統(tǒng)（TWINSCAN system），雙工作臺系統(tǒng)使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當(dāng)一個工作臺在進(jìn)行曝光工作的同時，另外一個工作臺可以同時進(jìn)行曝光之前的預(yù)對準(zhǔn)工作，使得光刻機(jī)的生產(chǎn)效率提升大約 35%。

雖然從結(jié)果上來看，僅僅是增加了一個工作臺，但其中的技術(shù)難度卻不容小覷，雙工作臺系統(tǒng)對于換臺的速度和精度有極高的要求， 如果換臺速度慢，則影響光刻機(jī)工作效率；如果換臺精度不夠， 則可能影響后續(xù)掃描光刻等步驟的正常開展。

雙工作臺光刻機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)

創(chuàng)新三： 浸沒式光刻系統(tǒng)。到了 45nm 制程節(jié)點時， ArF 光刻機(jī)也遇到了分辨率不足的問題，此時業(yè)內(nèi)對下一代光刻機(jī)的發(fā)展提出了兩種路線圖。一是開發(fā)波長更低的 157nmF2準(zhǔn)分子激光做為光源， 二是由 2002 年臺積電林本堅提出的浸沒式光刻。此前的光刻機(jī)都是干式機(jī)臺，曝光顯影都是在無塵室中，以空氣為媒介進(jìn)行。由于最小分辨率公式中的 NA 與折射率成正相關(guān)，如果用折射率大于 1 的水做為媒介進(jìn)行光刻，最小分辨率將得到提升，這就是浸沒式光刻系統(tǒng)的原理。

ASML 率先推出浸沒式光刻機(jī)，奠定自身市場地位。林本堅提出浸沒式光刻設(shè)想后， ASML開始與臺積電合作開發(fā)浸沒式光刻機(jī)，并在 2007年成功推出第一臺浸沒式光刻機(jī)TWINSCANXT:1900i，該設(shè)備采用折射率達(dá)到 1.44 的去離子水做為媒介，實現(xiàn)了 45nm 的制程工藝，并一舉壟斷市場。當(dāng)時的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源干式光刻機(jī)被市場拋棄，不僅損失了巨大的人力物力，也在產(chǎn)品線上顯著落后于 ASML，這也是尼康、佳能由盛轉(zhuǎn)衰，ASML 一家獨大的重要轉(zhuǎn)折點。

浸沒式光刻機(jī)原理

通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝，第四代 ArF 光刻機(jī)最高可以實現(xiàn) 22nm 制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、 10nm、甚至7nm， ArF 光刻機(jī)已無法滿足這一需求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代 EUV 光刻機(jī)。

第五代 EUV 光刻機(jī)，千呼萬喚始出來。 1-4 代光刻機(jī)使用的光源都屬于深紫外光， 第五代 EUV光刻機(jī)使用的則是波長 13.5nm 的極紫外光。

早在上世紀(jì)九十年代，極紫外光刻機(jī)的概念就已經(jīng)被提出， ASML 也從 1999 年開始 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)工作，原計劃在 2004 年推出產(chǎn)品。但直到 2010 年 ASML 才研發(fā)出第一臺 EUV 原型機(jī)， 2016 年才實現(xiàn)下游客戶的供貨，比預(yù)計時間晚了十幾年。三星、臺積電、英特爾共同入股 ASML 推動 EUV 光刻機(jī)研發(fā)。

EUV 光刻機(jī)面市時間表的不斷延后主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無法達(dá)到 250 瓦的工作功率需求，二是光學(xué)透鏡、反射鏡系統(tǒng)對于光學(xué)精度的要求極高，生產(chǎn)難度極大。這兩大原因使得 ASML及其合作伙伴難以支撐龐大的研發(fā)費用。 2012 年 ASML 黨的三大客戶三星、臺積電、英特爾共同向 ASML 投資 52.59 億歐元，用于支持 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)。此后 ASML 收購了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商 Cymer，并以 10 億歐元現(xiàn)金入股光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商卡爾蔡司，加速EUV 光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，這兩次并購也是 EUV 光刻機(jī)能研發(fā)成功的重要原因。

現(xiàn)在的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁進(jìn)了一個新時代。

ASMLTWINSCAN NXE:3350B 型號 EUV 光刻機(jī)